铜管铝板复合液冷板在LiF...中的散热特性实验及优化研究_陈祖彪.pdf

广 东 化 工 2023 年 第 6 期 108 第 50 卷 总第 488 期 铜管铝板复合液冷板在铜管铝板复合液冷板在 LiFePO4锂离子锂离子 动力电池模组中的散热特性实验及优化研究动力电池模组中的散热特性实验及优化研究 陈祖彪，周科，柯秀芳*(广东工业大学 材料与能源学院，广东 广州 510006)摘 要锂离子动力电池液冷热管理系统中，间接液基体系具有更广泛的应用，而其保证温度控制的关键部件是冷却板。本文所设计的铜管/铝板复合液冷板，研究了 LiFePO4锂离子动力电池模组液冷热管理系统的冷却效果。电池分别在 3 C、4 C 倍率下充放电；选取水作为冷却流体，冷却流体的进出口模式分别为二进二出、四进四出、六进六出模式；冷却流体入口流量分别为 2 mL/s、4 mL/s、6 mL/s、8 mL/s、10 mL/s。实验结果表明，四进四出模式下、冷却流体流量为 6 mL/s 时，该液冷系统实现了在上述不同参数组合下的最优性能。该结果为进一步提高电池热管理系统的性能提供了重要的参考价值。关键词铜管；铝板；锂离子动力电池；电池液冷系统；散热特性 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)06-0108-05 Experiment and Optimization Study of Copper Tube Aluminum Plate Composite Liquid Cooling Plate in LiFePO4 Lithium-ion Power Battery Module Chen Zubiao,Zhou Ke,Ke Xiufang*(School of Material and Energy,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)Abstract:In the thermal management system of lithium-ion power battery,the indirect liquid-based system has a wider application.The major component in this system to ensure that temperature is controlled is the cooling plate.In this paper,the cooling effect of LiFePO4 lithium-ion liquid battery thermal management system using copper tube/aluminum plate composite liquid cooling plate is explored.The LiFePO4 lithium-ion battery module is at 3 C and 4 C charged-discharged rate,water is selected as coolant，and the import and export mode of coolant are two in/two out,four in/four out,six in/six out mode respectively.The inlet flow rate of the cooling water are 2 mL/s,4 mL/s,6 mL/s,8 mL/s and 10 mL/s,respectively.As shown in the experimental results,in four in/four out mode,when the flow rate of the cooling liquid is 6 mL/s,an optimum effect can be achieved under the above different parameter combinations,which provides an important reference for battery thermal management to further improving the working performance.Keywords:copper tube；aluminum plate；lithium-ion power battery；battery liquid cooling system；heat dissipation characteristics 人类过度依赖化石燃料令能源危机和环境污染成为了两个严峻的全球性问题。而在过去的几十年时间里，传统燃料汽车输出了全球 75%的温室气体。中国政府宣布了在规定年限内实现碳达峰和碳中和政策，这有利于减少化石燃料的消耗、促进节能环保产业的发展，特别是电动汽车产业1。电动汽车已经被发现可以缓解空气污染，但过高温度引起电池老化和起火的问题严重制约了电动汽车的发展，特别是锂离子电池驱动的汽车2-3。锂离子电池安全性和可靠性广受关注，其特点是能量大、电压高，而且电解液大多为有机易燃物。锂离子电池充放电过程中一般产生以下三种热：电化学反应引起的不可逆热、焦耳热和充放电过程中熵变引起的可逆反应热。若电池在充电放电过程中，所产生的热量不能及时释放，可能导致电池温度上升，出现着火甚至爆炸的情况；如果电池在使用过程温度均匀性较差，则会导致电池组循环寿命迅速衰减4。Thomas 等5通过电池加速老化实验，研究了老化时间和温度对锂离子电池性能的影响，结果表明，在 55 下贮存 20 周，电池功率衰减达 55%以上。为了实现电池的高效安全运行，锂离子电池温度应在 1535 范围内，电池温度不超过 55，电池与模块之间的温度差应小于 5。电池热管理技术侧重于降低电池内部的热产生和热积累，通过多种方式令电池温度等参数满足运行要求，该技术包括采用空气和液体冷却、利用相变材料吸热这三种方式6-8，或是多种方式的耦合。液态冷却热管理模式又分为直接接触模式和间接接触模式。尽管直接接触液冷模式具有较高的散热性能，但在电池组中，电池与工质的直接接触可能会导致电池被污染，影响正常使用。因此，在采用液体冷却实现热管理的新能源汽车电池系统中，间接液基体系具有更广泛的应用。在间接液基体系中，液体冷却板是保证温度控制的关键部件，各国学者积极探索优化液冷板性能的研究9-11。E 等12通过液冷结构的正交试验设计，得出管道数对冷却板平均温度的影响最为明显，冷却液流动速度次之。Tang 等13开发了一种结合用于液体冷板配置的微型通道的水冷策略，研究结果显示液体流量的增加或液体入口温度降低时电池组内温差会减小。Yi 等14通过改变冷却剂进出口位置，设计了不同流道的并联液冷电池热管理系统，得到了提高冷却效率的优化策略。Ibrahim 等15设计了一个紧凑轻量化蛇形波浪通道结构对电池模块进行液体冷却，并对电池进行综合热分析。综上，改变液冷板的材质、结构和进出口数量可以为电池热管理工作带来积极的影响，并且，为强化传热，改变液冷板管道形状也是可行的办法之一。在工程应用上已越来越广泛采用异型管，比如说扁管、椭圆管、滴形管等来代替圆管，可实现单位体积传热量和传热性能的明显提升。本文创新性地在电池热管理液冷系统中采用椭圆扁管代替圆管，利用椭圆扁管优异的流动性和较大的传热周边，具体方法是：通过凹槽切削加工工艺在铝板上加工出截面呈半椭圆型的蛇形凹槽，将两块有凹槽的铝板与椭圆扁铜管夹紧后，形成铜管/铝板复合液冷板。这种结构的优点是：第一，相较于微通道结构，该复合液冷板的结构具有加工简单、流体阻力低的优点。第二，该复合液冷板创造性将高导热的铝板与蛇形扁管制成复合的液冷板。第三，与采用圆管的液冷板系统相比，当量直径高的椭圆扁管换热效果更好。针对该管板复合液冷板，本文提出影响冷却效果的关键因素是：流道组合方式、冷却液入口流量和冷却液初始温度。通过对其冷却性能进行实验，研究在这三种因素影响下可实现最佳散热效果的冷却方案。1 实验介绍实验介绍 1.1 复合液冷板结构设计 本文研究的铜管铝板复合液冷板是一种由蛇形管与导热系数高的铝板经挤压加工而成的传热结构，铝板上加工出如图1所示的蛇形管凹槽，凹槽的截面是高度为2 mm、宽度为8 mm收稿日期 2023-01-03 作者简介 陈祖彪(1995-)，男，广东湛江人，在读硕士研究生，主要研究方向为光伏储能系统及其热管理。*为通讯作者。2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 109 的半椭圆面，两片相同的铝板将椭圆型的蛇形铜管夹紧后与电池构成如图 2 所示的电池组冷却结构。图 2 为铜管复合铝板的液冷板串行流道组件。基于该复合液冷板的高导热性能，电池模组在充放电过程所产生的热量可被快速吸收，且能够通过冷却流体及时地输送到环境中散热。图图 1 铜铝板复合液体冷却板构件铜铝板复合液体冷却板构件 Fig.1 Copper tube aluminum plate composite liquid cooling plate 图图 2 管板复合液体冷却板示意图管板复合液体冷却板示意图 Fig.2 Schematic diagram of composite liquid cooling plate of tube plate 本实验所采用的电池为 25 Ah 的方形磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池，具体的电池参数如表 1 所示。流道组合模式会对液冷板的冷却效果及电池组的温度分布产生很大影响，本文以 5 个电池构成的电池冷却模组作为实验对象，每个电池之间及最外侧电池均嵌有铜铝复合液冷板，整个电池模组共有 6 个液冷板，实物如图 3 所示，每个液冷板均有一个冷却液进出口构成一个流道。表表 1 具体电池参数具体电池参数 Tab.1 Specific battery parameters 名称 参数 类型 LiFePO4 高度/mm 168 宽度/mm 70 厚度/mm 27 重量/kg 0.64 标称容量/Ah 25 标称电压/V 3.2 密度/(kg/m3)1828.11 比热容/(J/kgK)1150 导热系数/(W/mK)x 方向：0.9；y、z 方向：15.3 图图 3 蛇形铜管铝板复合板电池模组蛇形铜管铝板复合板电池模组 Fig.3 Battery model of serpentine copper tube aluminum composite sheet member 本文对不同流道组合模式下的液冷板冷却效果进行实验研究，实验的液冷板流道的组合模式为：二进二出、四进四出、六进六出三种形式，即并联流动的流道组合分别为二、四、六，如图 4 所示。(a)冷却水二进二出的电池模组 (b)冷却水四进四出电池模组 (c)冷却水六进六出电池模组 图图 4 冷却水的进出口三种模式的电池模组冷却水的进出口三种模式的电池模组 Fig.4 Three modes of cooling water inlet and outlet battery module 1.2 实验装置 实验开始时，首先将该液冷电池模组装配好，并置于亚克力盒中，确保其不受环境温度的影响。其次，将该模组放置于30 的恒温恒湿箱中。采用充放电柜(Neware，BTS-50V100A)对电池进行充放电循环测试，循环次数为 5 次，充放电设置参数如表 2 所示。电池组每一块 LiFePO4锂离子动力电池两面的中心处各布置一根 T 型 Omega 热电偶进行测温。这一中心点可视为每一块 LiFePO4锂离子动力电池在进行充放电时最高温度点的位置，通过使用安捷伦 TT-T-24 型温度采集仪对电池模组各电池的最高温度进行实时测量，每间隔 1 s 进行一次温度采集。流经管道的冷却液是由一款 20 W 的小型水泵进行输送。广 东 化 工 2023 年 第 6 期 110 第 50 卷 总第 488 期 表表 2 充放电设定参数充放电设定参数 Tab.2 Setting parameters of charge and discharge 参数 数值 截止放电电压/V 2 截止充电电压/V 3.75 最大充电电流/A 100 最大放电电流/A 200 最佳充电温度/1555 最佳放电温度/1555 2 流道组合模式的优化流道组合模式的优化 电池组在充放电过程中，高倍率情况下产生更多的热量，若不能及时排出，将会导致电池温度上升，并有可能超过允许的最高温度和最大温差。本小节研究采用铜铝复合液冷板的电池模组在 3C 倍率放电情况下，在冷却液二进二出模式、四进四出模式、六进六出模式下，电池组温度和最大温差的变化情况。充放电实验的其他条件为：冷却液的入口温度为 25 时，冷却液的入口流量为 10 mL/s。图 5 所示是电池模组在 3 C 倍率放电下经过 5 次循环后的模组电池温度变化图、各电池最高表面温度以及电池组最大温差图，图 5 中符号、分别代表冷却液二进二出模式、四进四出模式、六进六出模式，B-K 依次表示电池模组每个电池两面的最高温度，下文其他图也采用同样的表述。如图 5(a)所示的模组电池温度变化图，在冷却水二进二出的模式下，该模组中电池的最高温度非常接近 55，在四进四出模式下电池最高温度均低于 55，而六进六出的模式下电池最高温度接近 45。如图 5(b)所示的各电池最高表面温度以及电池组最大温差图，二进二出模式下，电池的最大温差为 8.51，四进四出模式下电池组的最大温差是 4.93，六进六出模型下的最大温差是 3.89。(a)模组中电池最高温度 (b)模组各块电池温度分布以及最大温差曲线 图图 5 磷酸铁锂电池模组经过磷酸铁锂电池模组经过 5 次循环后的温度变化图次循环后的温度变化图(3C)Fig.5 Temperature variation diagram of LiFePO4 lithium-ion battery module after 5 cycles(3 C)由此可见，在对 LiFePO4锂离子动力电池模组温度的控制上，四进四出、六进六出两种冷却水流道组合方式能够满足要求，而二进二出流道模型在 3 C 倍率放电情况下，冷却水流量为最大值 10 mL/s 时仍然不能满足电池热管理需求，说明二进二出流道模型难以达到要求的冷却效果，实验中不再对 4 C 充放电的情况进行优化研究。3 冷却液入口流量对散热特性的影响冷却液入口流量对散热特性的影响 根据上节的优化研究结果，本小节仅研究四进四出、六进六出两种冷却水流道组合方式下冷却液入口流量对散热特性的影响，实验条件是：冷却液入口温度为25 时，电池模组充放电倍率为4C倍率，冷却液入口流量为2 mL/s、4 mL/s、6 mL/s、8 mL/s。图 6、图 7 为表征散热特性的电池组温度数据，图中符号、分别代表冷却液入口流量为 2 mL/s、4 mL/s、6 mL/s、8 mL/s。3.1 冷却液的不同入口流量在四进四出模式下的散热特性 (a)模组中电池最高温度 (b)模组中电池温度分布以及最大温差曲线 图图 6 磷酸铁锂电池模组经过磷酸铁锂电池模组经过 5 次循环后的温度变化图次循环后的温度变化图(4C)Fig.6 Temperature variation of LiFePO4 lithium-ion battery module after 5 cycles(4 C)图 6 所示，在采用复合液冷板的基础上，磷酸铁锂电池模组在四进四出模式下进行 4 C 倍率放电时，不同冷却液的入口流量下经过 5 次循环后的模组电池温度变化图、各电池两面最高表面温度以及电池组最大温差图。在图 6(a)中，冷却液的入口流量低于 6 mL/s 时，其电池温度远高于 55，当冷却液的入口流量高于 6 mL/s 时，两者对应的最温度都下降到了 55 2023 年 第 6 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 488 期 111 以下。图 6(b)为各电池最高表面温度以及电池组最大温差图。显然，在冷却液的入口流量低于 6 mL/s 时，该液冷系统无法满足热管理要求。当冷却液的入口流量从 4 mL/s 升高至 6 mL/s 时，最高表面温度下降了 5.02，但是其最大温差依然大于 5。进一步提升冷却液的入口流量到 8 mL/s 时，最高表面温度下降了4.90，最大温差值小于 5。图 6(b)中，电池组最大温差折线图先是发生了大幅度减小，后降幅逐渐趋于平稳。可见对于四进四出模式的电池模组而言，在 4 C 倍率下充放电时，冷却液的流量只有不小于 6 mL/s，才能使电池模组的最大温差值大幅度减小。3.2 冷却液的不同入口流量在六进六出模式下的散热特性 图 7 所示，是在磷酸铁锂电池模组在六进六出模型下进行4 C 倍率放电时，在不同冷却液的入口流量下，经过 5 次循环后的模组电池温度变化图、各电池最高表面温度以及电池组最大温差图。在图 7(a)中，冷却液的入口流量为 2 mL/s 时，磷酸铁锂电池模组的最高温度近 60，入口流量为 4 mL/s 时，磷酸铁锂电池模组的最高温度大幅度下降，均低于 55。结果表明，在 4 C 高倍率下，六进六出模型可满足热管理需求。由图7(b)，冷却液的入口流量为4 mL/s时磷酸铁锂电池模组的最高温度较2 mL/s时降低了5.48，最大温差也在5 的范围内。将冷却液的入口流量从6 mL/s升至8 mL/s时，二者的最高表面温度和最大温差分别降低了1.12 和0.19，下降幅度较小。由此可知，六进六出模型下，当入口流量高于4 mL/s时均可满足电池模组在4 C倍率下的热管理需求，再进一步提升入口流量可以得到更好的冷却效果。但是持续增大冷却液流量时最大温差变化的幅度逐渐减小，当冷却液的入口流量为8 mL/s时，降温效果与 6 mL/s 时相比提升幅度极小，最大温差图随着流量不断增加，趋于平稳，此时再增大冷却液流量意义不大。在实际工程应用中，在保证电池组处于最佳工作温度的同时，应根据实际情况选取冷却液入口流量，一昧增大其流量收效甚微。(a)模组中电池最高温度 (b)模组中电池温度分布以及最大温差曲线 图图 7 磷酸铁锂电池模组经过磷酸铁锂电池模组经过 5 次循环后的温度变化图次循环后的温度变化图(4 C)Fig.7 Temperature variation of LiFePO4 lithium-ion battery module after 5 cycles(4 C)综合上述两组实验结果分析，持续增大冷却液入口流量会使得冷却液的换热能力增强，电池组各个电池的温度逐于平稳，且入口流量越大，这种趋势更为明显。这是因为低温冷却液可以迅速降低冷板附近电池表面区域的温度，经历了一段时间的冷却后，电池表面温度的降低使得电池高温区从电池表面区域向电池中间区域转移，此时在位于最外面电池与位于电池组中间部位出现明显的温度梯度，原因是电池内部热导率较小，不利于电池组中间部位的电池产生的热量传递出去，造成电池组中间部位的温度梯度小，电池中心区域的温度难以实现大幅度降低。4 冷却液的不同入口温度在四进四出模式下冷却液的不同入口温度在四进四出模式下的散热特性的散热特性 (a)模组中电池最高温度 (b)模组中电池温度分布以及最大温差曲线 图图 8 磷酸铁锂电池模组经过磷酸铁锂电池模组经过 5 次循环后的温度变化图次循环后的温度变化图(4 C)Fig.8 Temperature variation of LiFePO4 lithium-ion battery module after 5 cycles(4 C)由上节实验结果及分析可知，增加并联流动的流道数量可以大幅度提升降温效果，四进四出、六进六出冷却液模式可以很好地满足热管理需求。相较于二进二出模式，这两种模式的降温效果显著，可以使电池模组的最高表面温度和最大温差快速降低；四进四出相较于六进六出模式的冷却装置结构更为简单，更容易实现工程应用。为进一步优化四进四出模式的冷却效果，本节探索了在四进四出模式下，冷却液的入口温度不同时磷酸铁锂动力电池模组的冷却效果。本节中符号、分别代表冷却液入口温度为 25、24、23、22。如图 8，4 C 倍率放电广 东 化 工 2023 年 第 6 期 112 第 50 卷 总第 488 期 下，冷却液入口流量为 6 mL/s 时，LiFePO4锂离子动力电池模组中冷却液的不同入口温度，经过 5 次循环后的模组电池温度变化图、各电池最高表面温度以及电池组最大温差图。在图 8(a)中，冷却液的入口温度分别为 25、24 时，磷酸铁锂电池模组的最高温度均超过 55，当入口温度降至23 时，电池模组温度降低于 55；入口温度为 22 时，电池模组温度接近 45。可见，随着冷却液温度的降低，电池模组温度出现了明显下降，其原因是低温冷却液增大了与冷板间的对流换热温差，提升了冷却效率。图 8(b)为各电池最高表面温度以及电池组最大温差图，当冷却液入口温度为 25、24、23 时，电池组最大温差呈线性降低，而随着冷却液温度进一步降低到 22 时，其最大温度下降了 7.91%，最大温差较 23 时降低了 1.32，冷却性能大幅度地改善。这是由于在 25 时，冷却液入口温度和系统初始温度相同，电池最大温差随电池热量的积累而逐渐增大。而随着冷却液入口温度的降低，在放电初期，低温冷却液迅速降低了冷板附近电池表面区域的温度，随着电池内部热量逐渐传递至流动的冷却液，电池整体温度和最高温度均开始下降，最大温差逐渐降低。总体来说，降低冷却水入口温度可增加其与磷酸铁锂电池模组之间的换热温差，提高液冷板冷却效率，但低温的冷却液也意味着大幅增加冷却系统能量消耗，这说明冷却液的温度不是越低越好的，因此实际工程过程中需要选择合适的冷却液温度。5 结论结论 本文设计了一种基于椭圆扁管新型铜铝复合液冷板，在铝板上加工出半椭圆凹槽，使得铜管与铝板实现更加紧密贴合。完成了基于此复合液冷板的电池热管理系统散热特性研究，采用实验的方法探究了冷却流道组合方式、冷却液入口流量、入口冷却液温度对冷却效果的影响。结果表明：二进二出模型难以满足电池模组的热管理要求，通过优化流道组合方式可以大幅提高冷却效果，四进四出、六进六出模型的热管理效果较二进二出模型有明显提升；电池组冷却效果会随冷却液入口流量的增大而不断改善，但在冷却液流量高于 6 mL/s 之后这个影响会逐渐降低，这是因为冷却液流量增大也意味着更大的系统功耗；较低的冷却液入口温度会降低电池整体温度，但会增大冷却系统功耗。在后续的探索中，可以在冷却液流量为 6mL/s 的基础上，再进一步降低冷却液温度，从而进一步增强冷却效果，使其能够满足相应环境下的热管理要求。参考文献参考文献 1Lutsey NGlobal climate change mitigation potential from a transition to electric vehiclesJ The International Council on Clean Transportation，2015，5 2Murugan M，Saravanan 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kg/m2，直径设计为 1.8 cm，TDS 为 1500 mg/L，水温为 75 高温持续运行时，镁棒使用寿命只有约 0.6 年的时间，在基于电位差0.25 V 可以达到有效防腐的条件下，采用加配分压电阻方式来降低镁棒的无效消耗，同时通过适当增加镁棒配重，可以将极限条件下的镁棒使用寿命提升至 2 年，满足基本维护时限要求。在其他条件下，也可通过增加分压电阻的方式，提升镁棒使用寿命。参考文献参考文献 1布勤 镁阳极对热水器内胆的阴极保护J 家电科技，2003(07)：53-56 2GB5749-2006，生活饮用水卫生标准S 3宋宏宇，于克浩，张春华齐齐哈尔地区地下水电导率与溶解性总固体的关系J黑龙江水利科技，2009，37(03)：4-5 4张伟分析化学与水质分析(下册)M河南：黄河水利出版社，2000：208，3 5李明昕船舶牺牲阳极的阴极保护设计研究J装备制造技术，2007(08)：31-34 6戴明安电热水器用牺牲阳极研究J全面腐蚀控制，2007(03)：19-20+11 (本文文献格式：施颖家用储热水箱牺牲阳极寿命的分析研究J广东化工，2023，50(6)：116-118)