基于CPCM-液冷-翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:作者简介:张群()男硕士研究生:.通信作者:尚小标()男博士副教授硕士生导师:.:./.基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究张 群尚小标王文博范会丽王先锋(.昆明理工大学 机电工程学院 昆明 .非常规冶金教育部重点实验室 昆明.微波能工程应用及装备技术国家地方联合工程实验室 昆明)摘要:针对锂离子电池组工作温度过高或温差过大将导致其容量和寿命降低的问题设计了一种新型的复合相变材料()/液冷/翅片耦合散热系统 通过数值模拟分析了高温环境()、高倍率循环充放电时冷却液流向、石蜡中膨胀石墨()的百分含量及冷却液流速对该系统散热性能的影响 结果表明在相变材料()冷却基础上引入液冷和散热翅片使电池组的最高温度进一步降低了.冷却液交错流比同向流冷却电池组的最高温度降低了.、最大温差降低了.电池温度分布更加均匀 在石蜡中添加 后系统散热性能有明显提升 百分含量为 时散热性能最好 冷却液流速从./增加到./时电池组的最高温度降低了.、最大温差降低了.继续增大流速散热性能提升不显著关键词:锂动力电池组数值模拟相变材料耦合散热性能分析本文引用格式:张群尚小标王文博等.基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):()/.()()././.:引言锂离子电池具有密度高、使用寿命长、无记忆等优点在电动汽车中得到广泛应用 锂离子电池对温度变化敏感最佳工作温度范围为 最大温差小于 如果电池温度和温差超过上述范围将导致其容量衰减和循环寿命降低严重时甚至有热失控(电池最高温度超过)的威胁 由此可见为确保锂离子电池工作温度维持在安全范围内对其进行热管理是非常有必要的根据冷却介质类型的不同锂离子电池散热方式有风冷、液冷、热管冷却、冷却 及上述冷却方式进行耦合组成的复合冷却 风冷具有结构简单、质量轻等优点但较低的冷却效率阻碍了其发展 液冷具有较好的冷却性能已广泛应用于电动汽车行业 但存在结构复杂、能耗高、均温性差等缺点 热管冷却被认为是一种有潜力的冷却方式但存在安装复杂、价格昂贵等缺点阻碍了其应用 冷却为一种零能耗冷却方式具有成本低、均温性能好、几何形状多变等优点在电池热管理系统中具有良好的应用前景 等首次将 用于电池热管理中发现 在融化过程中能将电池产生热量以潜热的形式储存起来具有很好的控温效果 等通过仿真与实验相结合的方法验证了 热物性参数对电池散热性能的影响发现高潜热和高热导率的 可以更好的控制电池最高温度和温差 尹少武等研究了相变材料填充厚度对电池热管理性能的影响发现 填充的最佳厚度为 鉴于此本文中相变材料的填充厚度取 然而 存在最大的缺点就是导热系数低 针对 导热系数低的问题可以通过在 中添加、金属泡沫、金属翅片等来提高其热导率 由于金属泡沫和金属翅片密度较大会大幅增加电池组质量难以满足电池组轻量化的要求而 具有导热系数高、稳定性好、密度小等优点因此被众多学者所研究 等通过熔融共混法制备了由石蜡/组成的 发现石蜡中加入 可以显著提高其传热性能 融化后的泄漏量随 质量分数的增加而减小 刘巨臻等通过实验发现在石蜡中加入 的 制成的复合材料其导热系数是石蜡的 倍在 放电倍率 下 复 合 材 料 冷 却 电 池 模 组 中 电 池 最 高 温 度为.以上研究表明添加 后的 传热性能增强具有良好的热管理能力 但是随着放电倍率增加、环境温度升高以及充放电时间变长 的有限潜热不能完全吸收电池产热最终会导致其全部融化而丧失热管理能力 这可能是 冷却未被广泛应用在电动汽车行业中的一个重要原因 等采用实验和数值模拟相结合的方法发现锂电池 高倍率放电下相变冷却的电池组最高温度达到了.超出电池安全工作范围 吴学红等通过实验发现在高温()情况下 冷却无法将电池组温度控制在安全范围内 路铃等通过 仿真发现锂电池高倍率循环充放电过程中 冷却下的电池最高温度高达 将被动 冷却与主动冷却(如液体冷却)相结合的复合冷却可以有效地解决上述问题 黄菊花等通过数值仿真对锂电池高倍率放电时的散热性能进行了计算 结果表明采用 水套式液冷耦合冷却 高倍率放电时电池组表面最高温度和电池之间的最大温差均维持在安全工作范围内 但其研究仅对单次放电进行了计算循环充放电下的散热性能有待研究 等通过数值模拟对 型圆柱电池连续充放电时的散热性能进行研究 结果表明/液冷复合冷却能将电池温度在充放电循环过程中控制在安全范围内 但是该散热系统结构复杂且质量较大难以满足电池组轻量化的要求 杨梓堙研究表明在.放电 充电循环中 冷却的电池模组最高温度达到了./液冷复合冷却的电池模组最高温度始终控制在安全范围内 但仅对低倍率连续充放电下的散热性能进行了计算高倍率连续充放电下的散热性能仍需进一步提升通过以上研究不难发现传统冷却方式存在冷却效率低、能耗高及均温性差等缺点 冷却是一种良好的锂离子电池温度控制方式但单一 冷却存在锂电池多次充放电循环时其潜热会完全耗尽而失去热管理能力的缺点针对以上不足本文中提出了一种/液冷/翅片耦合散热系统并在高温环境、循环充放电工况下对其散热性能进行研究张 群等:基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究 物理模型以某公司生产的三元方形锂离子软包电池为研究对象基本参数如表 所示 将 块单体电池串联组成电池组采用/石蜡制成的(百分含量 时为石蜡)、液冷和散热翅片对电池进行冷却 相邻单体电池之间间隙为 采用 进行填充 设计一种新型串并联液冷管管道内径 、外径 并将其放置在相变材料内部进行冷却以提升电池组体积能量密度 电池组两侧添加散热翅片进行辅助散热翅片厚 、长 液冷管和散热翅片材料为金属铝冷却液为液态水 通过改变、液冷管和散热翅片的布置方式组成不同冷却方式并对其进行散热性能进行比较 不同冷却模型示意图与尺寸参数如图 所示表 锂电池基本参数 参数数值质量/标称容量/标称电压/.充电截至电压/.放电截至电压/.最大充电电流/()最大放电电流/()直流内阻/.外形尺寸/.(长 高 厚)最佳工作温度/图 电池组散热模型示意图.数值模型.锂电池产热模型由于锂电池内部结构复杂故在建立产热模型之前需忽略一些对结果影响较小的因素 本文中对所研究的锂电池做出如下假设:)电池充放电时各部分产热均匀)锂电池内部各项热物性参数为常数不随温度的变化而变化)忽略电池极耳、辐射换热的影响基于以上假设锂电池热效应方程为 ()式()中:、分别为电池密度、比热容、温度、为 个方向上的导热系数 为电池生热速率电池生热速率采用 等提出的电池单位体积生热速率模型表达式为()()式()中:为充/放电流 为单体电池体积 为电池开路电压为电池负载电压为电池初始温度/为电压随温度的变化系数.流体模型对于液冷管中的冷却液流体其质量、能量和动量守恒方程为 ()()()()式()式()中:、分别为冷却液的密度、比热容、温度、导热系数、冷却液流速、静压力.模型不同 百分含量的 热物性参数如表 所示采用 中基于焓法原理的/模型求解相变问题为了仿真模拟方便对 做出如下假设:)的各项热物性参数在融化前后保持一致)忽略 由固态变成液态过程中的体积变化)忽略辐射换热的影响基于以上假设 区域的能量方程为()()()兵 器 装 备 工 程 学 报:/./式()式()中:、和 分别为 的密度、焓和热导率、和 分别为环境温度、的温度和比热容 为相变潜热 为 液相分数表 热物性参数 材料比热容/()潜热/()热导率/()熔点/().().().().().电池模组热物性参数电池、液冷管道、散热翅片、冷却液热物性参数如表 所示表 电池模组相关热物性参数 参数电池液冷管道/导热翅片冷却液密度/().比热容/()导热系数/().动力粘度/().初始设置和边界条件数值模型的初始状态指定为 ()()式()中:为环境温度设置为 电池和、与散热翅片和电池与散热翅片的交界面上的边界条件为 ()()()式()式()中:、和 分别为电池、金属铝和 的热导率/为温度梯度电池组表面与周围环境采用自然对流冷却边界条件对流换热公式为 ()()式()中:为热流密度 为对流换热系数 为电池组表面温度为环境温度为研究电池在恶劣条件下的散热性能除电池产热模型验证时系统温度为 后续计算中系统温度均为 自然对流换热系数取 /()本文中冷却液最大流速为./根据雷诺数计算公式得出 .选择层流模型进行计算 冷却液入口条件为速度入口冷却液出口条件为压力出口 以上边界条件均在商用软件/中设定.电池产热模型可靠性验证为了验证电池产热与传热模型可靠性在 自然对流环境中对单体电池 放电工况下进行模拟计算将电池表面平均温度的模拟结果与实验结果进行对比对比结果如图 所示 由图 可知电池温升模拟值与实验值吻合度较好相对误差在 以内故电池产热与传热模型可靠可以用于电池组散热仿真计算图 电池表面平均温度模拟值与实验值对比曲线.结果与讨论.网格无关性验证为了确保计算结果的准确性对/液冷/翅片冷却模型采用多面体网格进行网格单元划分在流固接触壁面上加密网格保证流动边界层的计算精度网格划分模型如图 所示 对电池模组分别离散为 、共 种不同网格单元数量进行 充电 放电计算结果如图 所示 从图 中电池组最高温度和最大温差随电池模组离散单元数目变化曲线可以看出当网格单元数目大于 时电池组最高温度和最大温差的计算张 群等:基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究结果基本不随离散单元网格数目变化而变化因此选用网格单元数 进行计算图 电池组网格模型.图 电池组温度随离散网格单元数量变化曲线.不同冷却方式的比较为模拟电池组在极端工况下的散热性能电池间隙中填充石蜡(百分含量为)电池运行工况为:先 充电 然后 放电 进行连续 次充放电循环(以下研究中电池运行工况一致)电池组在 冷却、液冷(冷却液流向如图()所示流速./)复合冷却、液冷(同上)翅片复合冷却 种不同冷却方式下电池组最高温度如表 所示 由表 可知 冷却方式下电池组最高温度高达.远超出安全工作的范围 这主要是由于 相变潜热被消耗完后丧失控温能力导致电池温度急剧升高 相比 冷却/液冷复合冷却可将电池组最高温度降低.这主要是由于液冷的加入能及时将 吸收的热量带走使 潜热快速恢复延长了 的控温时间 相比/液冷复合冷却/液冷/翅片复合冷却可将电池组最高温度进一步降低.这主要是电池和 通过与翅片的接触增加了电池组与空气的对流换热面积使电池温度进一步降低 图 为电池循环充放电结束时温度分布云图 由图 可知电池组最高温度主要集中在中间电池上这主要是因为电池在径向方向上热导率小无法及时将产生的热量向外扩散低所导致由以上分析可知当锂电池在极端工况下使用时冷却将导致电池发生热失控添加液冷和翅片后能大幅降低电池温度减小了发生热失控的概率 故将 冷却和主动冷却结合组成复合冷却是非常有必要的表 不同冷却方式下电池组最高温度 冷却方式电池组最高温度/冷却./液冷复合冷却./液冷/翅片复合冷却.图 不同冷却方式下电池组充放电结束时温度分布云图.冷却液流向对散热的影响为了研究冷却液流向对散热的影响电池间隙中填充石蜡(百分含量为)冷却液流速设置为./分别对冷却液同向流和交错流冷却(如图 所示)电池组循环充放电散热进行计算 电池组最高温度和最大温差随时间的变化曲线如图 所示图 不同冷却液流向示意图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 不同冷却液流向下电池组温度随时间的变化曲线.由图 可知循环充放电过程中电池组最高温度和最大温差均发生在第 次放电结束时 冷却液同向流下电池组最高温度为.最大温差为.冷却液交错流下电池组最高温度为.最大温差为.图 为电池组循环充放电结束时温度分布云图 由图 可知同向流下电池轴向温差较大交错流下电池温度分布更加均匀 基于以上分析可知交错流散热效果明显优于同向流故选择交错流进行后续研究图 不同冷却液流向下电池组充放电结束时温度分布云图.百分含量对散热的影响 为研究 百分含量对散热的影响冷却液流速./交错流下电池间隙中填充/石蜡制成的 其中 百分含量分别为、及 对电池组循环充放电散热进行计算电池组最高温度和最大温差随 百分含量变化曲线如图 所示 百分含量分别为、及 时电池组在循环充放电时最高温度分别为.、.、.、.、.最大温差分别为、.、.、.、.由此可见在石蜡中添加 百分含量为 时显著降低了电池组温度最高温度均在 左右 这主要是随着相变材料的热导率增大热量传递的更快被冷却液交换带走的热量更多使电池组温度降低但会导致电池组温差变大 当 百分含量为 时最高温度升高到.这主要是随着 百分含量的增加 的比热容和潜热降低导致其储热能力下降图 不同 百分含量下电池组温度的变化曲线.由以上分析可知在石蜡中加入 可将电池组最高温度控制在安全工作范围内且 百分含量为 时最大温差最小故在石蜡中添加 的 为最优选择.冷却液流速对散热的影响为了研究冷却液流速对散热的影响电池间隙中填充 百分含量为 的 冷却液交错流冷却液入口流速从./增至./(单次增加./)对电池组循环充放电散热进行计算电池组在不同流速下的最高温度和最大温差如图 所示图 不同冷却液流速下电池组温度的变化.由图 可知冷却液流速为./时电池组最高温度为.、最大温差为.温差超出安全范围 冷却流速增加至./时电池组最高温度为.、最大温差为.均在安全范围内 继续增大冷却液流速最高温度和最大温差下降缓慢分别维持在.左右和张 群等:基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究.左右 由此可知随着冷却液流速的增加电池组最高温度和最大温差均随之降低这主要是随着冷却液流速增加相同时间内带走的热量更多当冷却液流速为./时达到换热平衡继续增大流速散热效果无明显改善反而会消耗更多泵功 不同冷却液流速下 液相分数随时间的变化曲线如图 所示 冷却液流速为./时循环充放电结束时 液相分数为.冷却液流速增加到./时循环充放电结束时 液相分数降低了.且在第 次放电前降至.潜热基本完全恢复有效解决了循环工况下潜热耗尽而失去热管理能力的缺点 继续增加到 /时循环充放电结束时 液相分数降至 由此可知冷却液流速越大 的液相分数越小泄露的风险也越低图 不同冷却液流速下 液相分数随时间的变化曲线.综上所述:在满足电池组散热要求的前提下为减小液冷消耗的泵功及加快 潜热的恢复冷却液流速选择 /较优 结论)电池组循环充放电过程中 冷却的电池组最高温度高达.加入液冷和散热翅片后电池组最高温度降低了.)在石蜡中添加 后系统散热性能有明显提升百分含量为 时散热性能最好)冷却液流向和流速对电池组散热性能影响明显 冷却液交错流比同向流冷却电池组的最高温度和最大温差分别降低了.和.交错流冷却具有更好的散热性能 冷却液流速从./增加到./时电池组最高温度降低了.、最大温差降低了.继续增大流速散热性能提升不显著)/液冷/翅片复合冷却下当 百分含量为、冷却液./交错流时可将锂离子电池组最高温度和最大温差分别降至.和.参考文献:.():.:.():.:.():.:.:.:.:.:.:.:.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.:.:.:.:.:.():.():.尹少武康鹏韩嘉维等.基于相变材料的锂离子电池热管理性能研究.化工进展():.():./.:.刘臣臻张国庆王子缘等.膨胀石墨/石蜡复合材料的制备及其在动力电池热管理系统中的散热特性.新能源进展():./.():.():.吴学红郎旭锋吕财等.动力电池组复合冷却系统优化及实验研究.可再生能源():.():.路玲汪缤缤胡健等.基于翅片强化传热 锂电池热管理研究/.电源学报.:/././.:/./.黄菊花陈强曹铭等.相变材料与水套式液冷结构耦合的圆柱型锂离子电池组热管理仿真分析.储能科学与技术():.():.:.杨梓堙.基于复合相变材料与液冷结合的车用锂离子电池模组散热性能研究.镇江:江苏大学.:.杨洋.纯电动汽车锂离子电池组液冷散热系统研究.广州:华南理工大学.:.():.():.科学编辑 曾小华 博士(吉林大学 教授、博导)责任编辑 唐定国张 群等:基于 液冷翅片耦合作用的锂电池高温散热性能研究