软包电池组液冷流道结构设计及分析_谢荣曾.pdf

2023年1月机电技术机电技术软包电池组液冷流道结构设计及分析软包电池组液冷流道结构设计及分析谢荣曾罗 植（福建农林大学，福建 福州 350108）摘要为改善传统流道结构的散热能力，提出了一种对称回流流道，并利用Fluent仿真分析不同流道结构下电池组的温度场，结果表明：2C放电时，对称回流流道下电池组最大温差相较于蛇形流道降低了4.4 K，压降减小了2473.4 Pa；最高温度相较于并联直流流道降低了3.7 K，最大温差降低了7.7 K。在此基础上研究了流道宽度及冷却液流量对温度场的影响，当流道宽度为8 mm，流量为0.006 kg/s时，电池组温升为12.2 K，平均温度为309.8 K，温差为8.5 K，流道压降为较小的3691 Pa，说明对称回流流道相较于传统流道结构能一定程度改善电池组的散热性能。关键词软包电池；Fluent液冷仿真；流道设计中图分类号：TM912文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）01-064-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.01.018作者简介：谢荣曾（1973），男，助理实验师，研究方向为车辆结构设计、检测与维修。近些年来，由于过多的碳排放导致的气候环境恶化以及煤炭、石油等能源的枯竭，新能源汽车发展迅速。作为电动汽车核心部件的动力锂电池，以其高能量密度、循环寿命长、自放电率低等优点，被广泛应用于新能源汽车中1。车载动力电池适宜的工作温度在20 至40 之间，电池温差最好小于 5 2。电池热管理系统（Battery Thermal Management System，BTMS）对新能源汽车行业十分重要，目前主流的BTMS方法分为空冷、液冷、热管冷却以及相变材料（PCM）冷却3。液冷由于采用液体做冷却介质，其换热系数较大，冷却效率较高且工程上易于实现，故使用较多4，液冷板流道的设计因此成为了研究的热点。安治国等5利用Fluent建立了三维电池组仿真模型，对不同流道数量和不同流道形状下的电池组进行仿真分析，发现合适的流道截面形状和增加流道数能有效降低最高温度；Jarrett A等6采用蛇形流道，以平均温度、温差及压降作为目标函数，结合仿真分析，优化了流道宽度及位置。优化后的平均温度和压降均改善，但温差变大。Su等7设计了一种双进出口蛇形流道结构，研究不同进出口设计造成的差异，结果表明：进出口位置设计和流动方向对温差的影响较大。邓元望等8建立电池单体传热和产热模型，研究不同进口流量与电池组内温度场的关系，发现在相同生热率下，进口流量的增大可有效减小电池组内外温度差。Deng等9对比分析了蛇形流道冷却液沿横向流动和纵向流动带来的差异，结果表明：冷却液沿橫向流动，冷却效果更好。传统的直流型和蛇形流道存在较大的能耗和温度梯度等问题，为了更高效地降低电池组的温度以及温差，本文以软包锂电池组为研究对象，提出一种对称回流流道液冷板，利用 Fluent 软件对其进行仿真分析，首先与其他两种流道结构进行散热性能及压降的对比，并通过调整流道的宽度与冷却液流量，进行纵向研究分析，研究两种变量下对称回流流道冷却电池组的温度场影响规律，为锂离子电池组流道结构设计提供了参考。1电池热模型的建立1.1电池传热模型本文选取电芯为某公司研发的软包三元锂离子电池，其基本参数如表1所示。表表1 1电芯基本参数电芯基本参数项目容量/Ah重量/g标称电压/V电压范围/V尺寸/mm数值17.52903.653.04.2194918.5传热计算的数值模拟是依赖于傅里叶导热微分方程建立的，其表达式为10：64第1期cTt=x(xTx)+y(yTy)+z(zTz)+q（1）式中：为电池密度；c为电池比热容；T为微元体温度；q为单位体积生热速率；x、y、z为电池沿坐标轴三个方向的导热系数。在对单体电池进行热分析时，需要得到其密度、比热容和导热系数，为便于模型的建立，将电池单体看作材料均匀的导热体，同向的导热系数不变。通过实验和查阅文献得到电池单体和相关材料的密度、比热容和导热系数，如表2所示。表表2 2各材料物性参数各材料物性参数名称电池液冷板/导热片乙二醇溶液密度/（kg/m3）192927191071比热容C/（J/（kgK）9508713300导热系数K/（W/（mK）18.02/1.09/18.02（x/y/z）202.40.384动力粘度/（kg/ms）/0.003731.2电池生热模型由Bernardi11模型知，电池生热主要由可逆热和不可逆热组成，经过变形，得到其体积生热速率公式：q=I2(Ro+Rp)-ITdEdTV（2）式中：R0、RP分别代表欧姆内阻和极化内阻；dE/dT为温度影响系数；I为充放电电流大小；V为电池体积。由式（2）可知，需要求得单体电池的内阻及温度影响系数。根据 HPPC内阻测试实验，得到了不同SOC下的电池内阻，其中极化内阻占总内阻的30%左右。根据实验数据，得内阻与SOC的关系式：R=92.139SOC5-230.86SOC4+199.7SOC3-65.606SOC2+4.3382SOC+5.9136（3）之后，在初始环境温度为25 时对电池进行放电，测得不同SOC下的温度影响系数，即熵热系数，如图1所示。图1中正值表示吸热，负值表示为放热，在不同SOC下的熵热系数均不相同。根据生热速率公式，将电池的生热速率与SOC进行拟合，得到其1C放电倍率的多项式：0.00.20.40.60.81.0-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08(dU/dT)/(mV/k)SOC图图1 1熵热系数与熵热系数与SOCSOC关系关系q=-284523SOC5+862069SOC4-1060868SOC3+677612SOC2-217331SOC+35183（4）1.3单体电池热模型的验证通过前面求得的电池参数，利用 Fluent对单体电池进行不同放电倍率的热仿真，并监测电池表面温度，将仿真的温度曲线与实验得到的电池温度曲线进行对比，如图2所示。可以看出，实验与仿真的温度曲线基本一致，验证了电池热模型的准确性。01000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000295300305310315320325表面温度T/K时间t/s 0.5C实验 0.5C仿真 1C实验 1C仿真 2C实验 2C仿真图图2 2仿真结果与实验对比仿真结果与实验对比仿真工况选取1C、2C放电倍率生热率，经计算得到这两种工况下，电池平均生热率分别为11200 W/m3和44800 W/m3，如表3所示。表表3 3仿真工况生热率仿真工况生热率放电倍率1C2C生热速率/（W/m3）11200448002液冷结构的设计及仿真2.1模型结构实际中整车装载有大量锂离子电池，考虑到电池的对称布置以及计算资源有限，选择 2P10S谢荣曾 等：软包电池组液冷流道结构设计及分析652023年1月机电技术机电技术电池模组为研究对象。如图3所示，2P10S模组共包含了20块电芯，底部支撑为液冷板，每两块电芯间夹持有一块导热片，电池生热通过底部和导热片将热量传递到液冷板。冷板几何尺寸均为200 mm193 mm4 mm，有三种不同的流道，蛇形流道、并联直流流道和对称回流流道结构如图4a、b和c所示，其截面均为宽8 mm，深2 mm的矩形。电池导热片液冷板流道入口图图3 3电池模组结构电池模组结构（a）蛇形流道（b）并联直流流道（c）对称回流流道图图4 4三维仿真模型三维仿真模型2.2边界条件设定在所有仿真热模型中，进行稳态模拟求解，合理设置边界条件及初始条件，电池生热按照1C、2C平均生热率，初始环境温度和冷却液入口温度设为300 K，电池模组外壁面与空气的自然对流换热系数为5 W/（m2k），入口为质量流边界条件，范围从 0.0020.01 kg/s，这些工况的雷诺数都小于2300，流动方程选用 laminar层流模型进行计算，出口表压为0，生热率选择上文计算所得的1C、2C放电平均生热率。2.3结果与分析电池模组液冷仿真将放电倍率、流道结构、流道宽度以及冷却液流量作为仿真变量，通过对比仿真结果的最高温度、平均温度、最大温差以及流道压降，分析得到对称回流流道结构的温度场影响规律。2.3.1温度场分布电池组在1C、2C放电倍率下不同流道结构时的温度分布如图5所示。结果表明：1C放电倍率下，蛇形流道和并联直流流道冷却电池组最高温度分别为 305.1 K 和 306.1 K，平均温度分别为304.1 K和304.6 K，最大温差分别为3.8 K和4.7 K；对称回流流道冷却电池组最高温度为305.1 K，平均温度为 304.5 K，最大温差为 2.8 K。2C放电倍率下，蛇形流道和并联直流流道冷却电池组最高温度分别为 320.8 K 和 324.5 K，平均温度分别为316.8 K和318.4 K，最大温差分别为15.7 K和19.0 K；对称回流流道冷却电池组最高温度为320.8 K，平均温度为318.3 K，最大温差为11.3 K。从图5中还可以直观地看出蛇形流道和并联直流流道电池组在Z向及X或Y向上温差较大，而对称回流流道仅表现为Z向上的差异。由此可见三种流道结构（a）1C蛇形流道（d）2C蛇形流道（b）1C并联直流流道（e）2C并联直流流道（c）2C对称回流流道（f）2C对称回流流道图图5 5不同流道在不同流道在1 1C C、2 2C C放电倍率下温度云图放电倍率下温度云图66第1期在最高温度和平均温度相差不大的情况下，对称回流流道在散热一致性方面有明显优势。2.3.2压差分析三种流道结构压力分布如图6所示，压力变化趋势基本一致，均表现为沿冷却液流动方向逐渐降低，其中并联直流流道和对称回流流道的子流道压力均小于主流道压力且对称分布于两边，由图6中可以看出，蛇形流道的进出口压降最大，达到3578.1 Pa；对称回流流道次之，为1104.7 Pa；并联直流流道最小为118.7 Pa，这是因为压降主要是由冷却液流经流道所受沿程阻力造成的，与流速平方成正比，因此总流量一定的情况下，并联流道越多，单个流道流速越小，总压差就越小，这表明并联流道数量在能耗方面具有明显优势。基于以上对比分析，说明对称回流流道在散热能力和节省能耗综合两方面有一定优势，可对其进行更进一步的研究，以下通过调整流道宽度和冷却液流量来进行研究分析。2.3.3流道宽度的影响针对对称回流流道结构，为分析其流道宽度对冷却效果的影响，在流量为 0.002 kg/s 的情况下，通过计算不同子流道宽度下电池组的温度场以及出入口压降，结果如图7a、b所示，流道宽度从4 mm增加到10 mm，1C放电倍率下电池组最高温度依次为305.1 K、305.2 K、305.1 K和305.2 K，46810296300304308312316320324流道宽度/mm 1C最高温度/K 1C平均温度/K 1C最大温差/K 2C最高温度/K 2C平均温度/K 2C最大温差/K0246810121416（a）1C、2C放电温度场随流道宽度变化关系46810050010001500200025003000压降/Pa流道宽度/mm（b）压降随流道宽度变化关系图图7 7流道宽度对散热性能的影响流道宽度对散热性能的影响平均温度依次为304.5 K、304.6 K、304.5 K、304.6 K，最大温差均为2.8K；2C放电倍率下电池组的各项温度指标同样随着流道变宽而降低很少，均在1.0 K以内。出入口压降方面依次为2503.1 Pa、1498.2 Pa、1104.7 Pa、892.2 Pa，随着宽度增大，压降逐渐减小，这是因为流道入口流量一定，流道宽度越宽，流速越小，压降越小。由此可见，流道宽度的大小对散热能力的影响不大，可忽略，但其对于压降的影响较为显著，因此流道宽度的设计是关乎能耗的关键因素。2.3.4流量大小的影响冷却液的流量也是影响散热效果因素之一，为研究其影响规律，图 8a、b 显示了在流道宽度8 mm不变的情况下，不同入口流量的电池组温度场情况，可以看出，随着流量的增加，电池组的各项温度参数均在下降，但下降的幅度呈减小趋势。1C、2C 放电倍率下，当流量从 0.002 kg/s 增加到0.006 kg/s时，最高温度分别下降了2.0 K和8.6 K、平均温度分别下降了 2.1 K和 8.5 K，最大温差分别下降了0.5 K和2.8 K。但流量从0.006 kg/s增加到 0.01 kg/s 时，最大温度分别仅下降了 0.5 K 和1.8 K，其余参数下降均不明显。此外，从图8c可以看出，流量从0.002 kg/s增加到0.01 kg/s，流道压降从1104.7 Pa增加到了6743.5 Pa，提高了5.1倍，由此可见流道压降与冷却液流量息息相关，然而（a）蛇形流道（b）并联直流流道（c）对称回流流道图图6 6不同流道压力云图不同流道压力云图谢荣曾 等：软包电池组液冷流道结构设计及分析672023年1月机电技术机电技术参考文献：1 徐晓明.动力电池热管理技术散热系统热流场分析M.北京：机械工业出社，2018.2 PARK H.A design of air flow configuration for coolinglithium ion battery in hybrid electric vehiclesJ.Journalof Power Sources，2013，239：30-36.3 王振，李保国，罗权权，等.电动汽车锂离子电池热管理系统研究进展J.包装工程，2020，41（15）：232-238.4 AKBARZADEH M，KALOGIANNIS T，JAGUEMONT J，et al.A comparative study between air cooling and liquid cooling thermal management systems for a high-energy lithium-ion battery moduleJ.Applied Thermal Engineering，2021，198（2）：117503.5 安治国，丁玉章，刘奇，等.液冷管道对动力锂电池组温度场影响研究J.电源技术，2018，42（6）：795-798.6 JARRETT A，KIM I Y.Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance J.Journal ofPower Sources，2011，196（23）：10359-10368.7 SHENG L，SU L，ZHANG H，et al.Numerical investigation on a lithium ion battery thermal management utilizing a serpentine-channel liquid cooling plate exchangerJ.International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，141（1）：658-668.8 邓元望，张上安，钟俊夫，等.混合动力车用锂电池液体冷却散热器结构设计J.电源技术，2015，39（3）：454-457.9 DENG T，ZHANG G D，RAN Y.Study on thermal management of rectangular Li-ion battery with serpentine-channel cold plateJ.International Journal of Heat and Mass Transfer，2018，125（1）：143-152.10 陶文铨.数值传热学M.2版.西安：西安交通大学出版社，2001.11 BEMARDI D，PAWLIKOWSKI E，NEWMAN J.A general energy balance for battery SystemsJ.Journal of the Electrochemical Society，1985，132（1）：5-12.过大的流量对散热的收益并不明显反而会增加流道压降，因此在满足电池的散热性能时，合理的流量设计有助于降低液冷板的能耗。3结论本文基于软包动力电池，设计了对称回流流道，通过建立其与蛇形流道以及并联直流流道的三维热仿真模型，对比了电池组在三种流道结构下温度场分布和流道压降的差异，进一步讨论了流道宽度以及入口流量对对称回流流道性能的影响，研究得出以下结论：1）散热性能方面：三种流道的最高温度及平均温度相差不大，对称回流流道结构散热温度一致性更好，其优势在2C放电工况下尤为明显，最大温差比蛇形流道以及并联直流流道分别下降了4.4 K和7.7 K。2）能耗方面：流量一定时，压降与并联的流道数量有关，并联子流道越多，沿程能量损失越小，单流道的蛇形流道压降最大，并联直流流道具有明显优势，对称回流流道次之。3）流道宽度的大小对散热性能的影响较小，但对流道压降影响显著，流道宽度越宽，能量损失越小。4）增大流量对散热效果的提升很明显，尤其在高倍率放电下，但当流量超过0.006 kg/s时，散热性能的提升较小，系统的能耗却显著升高，说明提升流量带来的散热收益有限，实际设计时应综合考虑。0.0020.0040.0060.0080.010301.5302.0302.5303.0303.5304.0304.5305.0305.5 最高温度/K 平均温度/K 最大温差/K流量/(kg/s)2.02.12.22.32.42.52.62.72.82.9（a）1C放电温度场随流道流量变化关系0.0020.0040.0060.0080.010304308312316320324流量/(kg/s)最高温度/K 平均温度/K 最大温差/K789101112（b）2C放电温度场随流道流量变化关系0.0020.0040.0060.0080.01002000400060008000压降/Pa流量/(kg/s)（c）压降随流量变化关系图图8 8流量对散热性能的影响流量对散热性能的影响68