锂离子电池冷却固定一体化冷板散热研究

摘要

基于圆柱状锂离子电池产热特点，设计了一种冷却固定一体化冷板，采用数值模拟方法探究了冷却液入口流量、环境温度和冷却固定孔深度等参数对一体化冷板冷却性能的影响，并与蜂窝状冷板进行了性能比较。结果表明：与蜂窝状冷板相比，冷却固定一体化冷板可以进一步降低锂离子电池组最高温度，并且采用一体化冷板冷却的锂离子电池组最低温度高于同一工况下蜂窝状冷板冷却的电池组最低温度，电池组组内最大温差平均可下降13.3%；一体化冷板的质量较蜂窝状冷板下降9.7%；一体化冷板入口流量从30mL/min增大到60mL/min，冷板进出口压损从352Pa增大到832Pa，锂离子电池组最高温度、最低温度均明显下降，组内最大温差降低了0.458K；一体化冷板的冷却固定孔孔深从7mm增大到13mm的过程中，锂离子电池组最高温度逐渐下降，最低温度则逐渐上升，电池组组内最大温差下降了20.8%，冷却固定结构重量增加了46.2%；在296.15K、298.15K、300.15K及302.15K的环境温度下，一个充放电周期结束后，电池组最高、最低温度十分接近，环境温度302.15K时，电池组最大温差明显高于其他环境温度下电池组最大温差。关键词

电池热管理；动力锂电池；液体冷却近年来电动汽车及电化学储能产业快速发展，锂离子电池因其能量容量大、自放电率低、无记忆效应，被广泛用作电动汽车动力源及电化学储能站的电池堆。充放电时锂离子电池组自身温度及组内最大温差是影响锂离子电池性能及安全性的重要因素。锂离子电池组冷却系统应将电池组充放电过程中电芯温度控制在最佳工作温度范围内即295.15～318.15K，且组内最大温差不超过5K。目前，常用的锂离子电池组冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、相变冷却、热管冷却。空气冷却优势在于成本低、占用空间小，但空气比热容较低，难以带走大量热量，很难满足目前的电动汽车及电化学储能站的冷却需要。单一相变冷却多数情况下不能满足锂离子电池散热需要，故常与其他系统联合使用，而与其他系统联合使用增加了热管理系统的复杂性，不利于维修。热管冷却因为成本高、结构复杂、维修困难、性价比较低等尚未广泛应用。液体的导热系数和比热容远大于空气，可以在短时间内带走大量热量，快速降低锂离子电池组温度。液冷系统可分为直接接触式冷却和间接接触式冷却。直接接触式冷却即将电池组浸泡在工程冷却液中，以此来增大电池组表面的换热面积，提高温度均匀性，但冷却液存在较大的泄漏风险，对工艺和成本要求较高。间接接触式液冷则为冷却液流过电池表面的液冷管或冷板的内部通道，利用强制对流换热的方式对电池组进行冷却。目前，锂离子电池冷却使用最为广泛的是间接接触式液冷系统，针对间接接触式液体冷却系统的研究主要集中在冷板及流道的优化上，通过优化或设计新的冷板结构来提高液冷系统的冷却能力。刘显茜等基于方形锂电池设计了一种仿生翅脉流道冷板并进行了仿真分析，探究了流道槽深等参数对仿生冷板的散热性能的影响，与并行通道冷板进行了对比，结果表明仿生翅脉流道可以提高被冷却锂离子电池的温度均匀性，减少压损，降低泵功。He等设计了一种用于锂离子电池的双层I形液冷板，研究了长度比、宽度比和通道间距对液冷板传热性能的影响，并与蛇形流道冷板进行了性能比较。结果表明长度比为0.70，宽度比为0.85，通道间距约为2.0mm时，获得最佳的最高温度和温度均匀性，双层I形液冷板可将最高温度从307.02K降至303.94K，表面温度标准差从0.80K降低到0.25K。本工作将固定支架与冷板结合，设计了一种固定支架与冷板一体化的新型冷板，此冷板的固定装置将锂离子电池正负极发热量较大区域包裹在内，可以有效降低锂离子电池最高温度，减小电池组内最大温差。1一体化冷板锂离子电池充放电过程中正、负极区域发热量远大于其他区域。河南某企业生产的26650型锂离子电池充放电过程中正负极共40%的区域发热量约占电池单体发热量的70%。目前使用的电池固定支架如图1所示，电池固定支架上有凹槽及凸起，可以相互拼接，达到将电池阵列成组并固定的目的，其部分包裹住了锂离子电池发热量最大的正负极区域，但其仅起到固定作用，没有冷却效果。图1

圆柱电池固定装置示意图电池组模块结构如图2所示，电池组由26650型电芯按特定结构阵列构成，每个电池组由2个相同的电池模块组成，单模块的电芯阵列为17个×19个×10个。该电池组多装备在电动汽车上，同时在电动耕地机等其他设备上也有少量装备。基于26650型圆柱电池产热特点及图2所示的锂电池组几何构造设计了一种冷却固定一体化冷板。为了简化模型提高计算效率，取部分电芯阵列成2个×14个的电池组并调整一体化冷板尺寸进行了数值计算。图2

电池组模块冷却结构示意图图3为一体化冷板示意图，冷板中间区域为5mm厚铝板，铝板内有蛇形液体流道，流道直径3mm，流道上、下沿与电池冷却固定孔底面相隔1mm厚度的实心铝板，电池单体不与流道直接接触。图3为说明各部分相互关系在冷却固定孔底面高度加入平面，而实际上冷板为一体铸造，电芯接线预埋。电池放入冷却固定孔内，起到固定、冷却的作用，一体化冷板的冷却固定孔包裹住了锂离子电池发热量较大的区域，热量由电池单体传导到冷却固定孔周围的铝制冷板，而后在冷板内部传导至冷却液通道壁面处，最后由冷却液带走热量。冷却固定孔孔深分别为7mm、9mm、11mm、13mm。该一体化冷板可根据工程实际中电池组尺寸及电芯的直径调整冷板和冷却固定孔的大小，且批量化生产工艺成熟。图3

冷却固定一体化冷板示意图2

数值模型2.1流体控制方程冷却液在流道内的流动过程按不可压缩流体管内受迫流动计算，主要控制方程包括如下3个。连续性方程：(1)动量方程：(2)能量方程：(3)式中，ρc为冷却液密度；uc、vc为冷却液速度矢量；P为流体的压力；Cpc为冷却液比热容；Tc为冷却液温度；kc为冷却液导热系数。2.2热物性参数26650型锂离子电池单体直径26mm，高度65mm。冷却液采用50%浓度乙二醇水溶液。锂离子电池单体及冷却液的热物性参数如表1所示。表1

电池及冷却液热物性参数2.3模拟条件设定流道表面为流固耦合界面，采用无滑移壁面设定。冷却液进口温度为298.15K，环境温度分别为296.15K、298.15K、300.15K、302.15K，流道出口为压力出口，出口回流温度为对应的环境温度。计算中选取14个锂离子电芯阵列成组，锂离子电池组封装后采用液冷方式冷却时冷板与外界对流散热很小，故本数值模拟计算中假设冷板外壁面为绝热壁面。模拟计算中压力与速度的耦合方法为Coupled算法，压力、动量、能量及时间离散格式均为二阶迎风格式。松弛因子为默认值，时间步长为1s，总步数为4320。模拟计算中电芯发热量以体积热源的方式加载到计算域，电池体分成3段，每段按照计算设置不同的体热源强度，根据前期实验测得该26650型锂离子电池充放电过程中电芯单体平均发热功率为0.5W，结合电池不同区域发热量占比，正极、负极区域体热源强度为25368W/m³，其他区域为7248W/m³。2.4网格无关性验证数值模拟计算中进行了网格无关性验证。在电池冷却固定孔孔深13mm，冷却液入口流量40mL/min，环境温度、冷却液入口温度均为298.15K的工况下，分别采用213642、237651、242957、266772、290017和310118个单元数量的网格进行计算。由图4可知在此工况下，网格数量达到242957个后，继续增加网格数量，锂离子电池组的最高和最低温度几乎不再变化，故采用242957个网格单元数量进行电池冷却固定孔孔深13mm工况下的计算，其他电池冷却固定孔孔深工况同样采用此方法进行了网格无关性验证。图4

网格独立性测试2.5模型验证电芯发热量以体积热源的方式分段加载到计算域，为验证计算中电芯单体发热量的准确性，对26650型锂离子电池在4C放电工况下进行数值计算并与文献的实验数据进行对比，数值计算和实验过程中锂离子电池最高温度随时间变化曲线如图5所示，结果显示单体电池仿真计算结果与实验结果一致，最大偏差为2.47%，所用热模型可以准确地反映电池生热情况。图5

单体电池热模型验证3结果与分析采用数值模拟方法，探究了一体化冷板入口流量、环境温度及冷却固定孔孔深对26650型锂离子电池冷却效果的影响，并与蜂窝状冷板进行了对比。3.1入口流量对冷板冷却效果及进出口压损的影响现有研究表明，在一定范围内，随冷却液流量的增大，冷板冷却效果明显提高，冷板进出口压损增大。冷板进出口压损关系到锂离子电池冷却系统泵功的消耗。为进一步评价冷却液流量对冷却系统动力消耗的影响，引入泵功作为评价指标。泵功的计算方法如式(4)所示。(4)式中，为进口流速，m/s；为进口面积，m2；为进出口压降，Pa。由图6(a)、(b)可知，随着入口流量的增大，锂离子电池组最高温度、最低温度均逐渐降低，且降低幅度均逐渐减小。由图7可知锂离子电池组最大温差随着一体化冷板入口流量的增大而逐渐降低，降低幅度同样逐渐减小，入口流量为30mL/min时，锂离子电池组最高温度仍处于锂离子电池最佳工作温度范围，且电池组内最大温差远小于5K。图6

冷却液流量对电池温度的影响图7

冷却液流量对电池组组内最大温差的影响由图8可知一体化冷板入口流量从30mL/min增大到60mL/min，进出口压损增大了479Pa，增加了2.36倍，而泵功则增大了4.72倍。在流量增大过程中，电池组最高温度从302.5K降低到300.7K，降低了1.8K，最低温度从300.9K降低到299.6K，降低了1.3K，充放电过程中电池组组内最大温差从1.575K降低到1.117K，减小了0.458K。为避免出现锂离子电池最高温度及最大温差仅有小幅下降，锂离子电池冷却系统泵功却大幅提高的情况，采用一体化冷板冷却电池组时应综合考虑泵功与冷却性能。图8

不同冷却液流量下流道压力云图3.2环境温度对冷板冷却性能的影响在不同地域使用时，锂离子电池组所处的环境温度存在一定差别，本工作探究了不同环境温度下(296.15K、298.15K、300.15K、302.15K)一体化冷板的冷却性能。图9为冷却液流量40mL/min，冷却液入口温度298.15K时不同环境温度下的锂离子电池组温度曲线图，由图可知，不同环境温度下，一个充放电周期后，锂离子电池最高、最低温度基本相同。主要原因在于充放电过程中，环境(电池组初始)温度虽不同，但冷却液入口温度相同，电池组发热功率相同，随着充放电过程的进行，最终电池组温度会趋向稳定在与冷却液温度相关的值，进而导致电池组最高、最低温度趋于一致。图9

不同环境温度时电池组温度由图10可知，当环境温度为296.15K、298.15K、300.15K时，电池组组内最大温差分别为1.369K、1.377K、1.371K，电池组组内最大温差相差很小；当环境温度为302.15K时，电池组组内最大温差为1.71K，与296.15K、298.15K、300.15K环境温度下电池组组内最大温差相差较大。其主要原因在于锂离子电池组被冷却前，其温度与环境温度一致，冷却过程初期，初始温度较高的锂离子电池组因与冷却液之间温差较大，换热效果增强，靠近液冷板的区域温度迅速降低，距液冷板较远的区域温度则会快速升高而后降低，造成锂离子电池组内最大温差过大，且最大温差出现在充放电过程前期。图10

不同环境温度下电池组最大温差3.3孔深对冷板冷却性能的影响26650型锂离子电池正负极共40%的区域充放电过程中发热量占总发热量的70%，一体化冷板冷却固定孔孔深越大，对锂离子电池组冷却效果越好。然而，冷却固定孔孔深越大，一体化冷板的重量及成本就越高。本工作探究了不同冷却固定孔深度的一体化冷板对26650型锂离子电池冷却效果的影响。由图11(a)、(b)可知，冷却固定孔孔深由7mm增大到13mm，锂离子电池最高温度降低了0.219K，最低温度则升高了0.148K，锂离子电池组最大温差从1.744K降低到1.381K，降低了0.363K，降幅为20.8%，而冷却固定结构重量增加了46.2%。综合考虑电池组最高温度、最低温度、最大温差及冷却结构重量，7mm冷却固定孔深度更适合工业应用。图11

不同孔深电池组温度图3.4一体化冷板与蜂窝状冷板比较在锂离子电池1C放电倍率且冷却条件相同的情况下，使用流道相同的蜂窝状冷板对锂离子电池组冷却效果进行数值计算，并与一体化冷板进行比较。蜂窝状冷板示意图如图12所示。图12

蜂窝状冷板结构示意图由图13(a)可知，随着入口流量增大，2种冷板冷却下的锂离子电池组最高、最低温度均逐渐降低，在冷却液入口流量从30mL/min增大到60mL/min的过程中，采用蜂窝状冷板冷却的锂离子电池组最高温度始终高于采用一体化冷板冷却的锂离子电池组最高温度，而其最低温度则始终低于一体化冷板冷却的锂离子电池组的最低温度。由图13(b)可知在冷却液入口流量增大的过程中，采用一体化冷板冷却的锂离子电池组组内最大温差始终小于采用蜂窝状冷板冷却的电池组。图13

蜂窝状冷板与一体化冷板对比表2为采用冷却固定一体化冷板与采用蜂窝状冷板冷却的26650型锂离子电池组在不同流量(30mL/min、40mL/min、50mL/min、60mL/min)下的平均温度对比，由表2可知，采用一体化冷板冷却26650型锂离子电池组较采用蜂窝状冷板冷却相同电池组，电池组的最高温度平均下降了0.115K，最低温度平均上升了0.093K，电池组组内最大温差降低了0.208K，且一体化冷板较已经打孔减重的蜂窝状冷板重量下降9.7%，冷却固定一体化冷板的综合性能较蜂窝状冷板明显提升。表2

一体化冷板与蜂窝状冷板