锂离子动力电池组液冷结构设计优化及仿真*论文

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：锂离子电池的散热问题是影响电动汽车寿命和安全性的重要因素。为了探究不同液冷散热结构设计对锂离子电池组散热效 果的影响， 设计了包括横式和纵式的 4 种冷却水道模型， 通过建立计算流体动力学 CFD 仿真模型， 确定电池的热参数， 模拟电池 的升温情况。研究了锂离子电池模组液冷散热结构中各个参数变量如支流数量、冷却液流速、进水口的位置等对散热效果的影响， 结果表明， 纵式布置的电池模组比横式布置的电池模组更能有效地降低最高温度， 而参数对散热效果影响各异。锂离子电池组散 热结构设计时应该综合考虑各项因素。

　　Abstract: Heat dissipation of lithium-ion batteries is an important factor affecting the life and safety of electric vehicles . In order to explore the effect of different design of liquid cooling heat dissipation structure of lithium-ion battery pack, four different cooling structures for battery pack including horizontal and vertical were designed, the thermal parameters of the battery were determined, and the temperature rise of the battery were simulated with computational fluid dynamics (CFD) simulation model. The influence on the heat dissipation effect by various parameter variables of the liquid cooling structure of the lithium-ion battery module, such as the number of tributaries, coolant flow rate and the position of the water inlet, were studied. The results show that the battery module with longitudinal arrangement can effectively reduce the maximum temperature than the battery module with horizontal arrangement, and each parameter has a different influence on the heat dissipation effect. These factors should be taken into consideration in the design of the heat dissipation structure of lithium-ion battery pack . Key words: lithium-ion battery; liquid cooling heat dissipation structure; thermal simulation; battery temperature

　　0 引言

　　动力电池作为电动新能源汽车的主要或唯一动力源， 相当于汽车心脏， 动力电池性能的好坏直接影响整车的 性能。锂离子电池由于自放电低、能量密度高、无记忆 效应、使用寿命长等优势， 是目前电动汽车广泛使用的 动力源[1]。由于电池组存放空间较小且电池数量庞大， 导致电池布置紧密， 电池工作时产生的大量热量很难得 到扩散， 热量在电池组内部聚集而导致局部温度过高， 若电池组长期处在不均匀的热环境下， 动力电池很容易 引发热失控， 甚至出现寿命减损等安全问题， 大大缩短 了电池的使用寿命， 降低了可靠性和安全性。动力电池 组热管理系统在新能源汽车未来发展中至关重要， 对电 池自身温度与电池组内部温度的均匀性控制成为研究热 点。要保证动力电池在使用过程中冷却充分， 避免电池 内部温度过高和温差过大， 锂离子电池工作温度应控制在 20~40 ℃， 温差不超过 5 ℃[2]。

　　电池热管理系统散热方式按冷却介质不同可分为空 气、液体、相变材料 3 种冷却介质。空气冷却也叫做风 冷， 通过让空气流过热体并带走热量来达到冷却的目的， 结构简单， 成本低， 冷却效果欠佳， 且空气流动过程会 产生噪声， 风冷在低速电动车中使用较广泛; 相变材料 冷却的结构相对复杂， 再加上材料及成本的限制导致目 前应用较少; 液体冷却是通过液冷板中的冷却液与电池 表面接触， 利用介质的高导热性特点将热量带到电池系 统外部进行冷却， 液冷因具有良好的冷却效果已得到广 泛的应用。 GM Volt 的 PHEV 锂电池和 Tesla Roadster 的 BEV 锂电池均采用液冷方式， 冷却介质为体积分数均为 50 % 的水和乙二醇的混合物[3-4]。王翔等[5] 仿真研究了 ICF 、ICT 、LFCH 以及 CALB 对电池模组内 MTBM 和 MT ⁃ DBM 的影响， 并采用 VCALB 对电池模组液冷管道进行优化， 结果表明采用 VCALB 液冷管道可以有效解决原有 恒定 CALB 液冷管道电池模组内温差过大的问题， 在相 同工况下温差降低了 40.69%。邓元望等[6]设计了一种蛇 形盘管式的液冷冷却结构， 其仿真结果显示， 液冷方式 能有效降低电池组温度， 胡兴军等[7] 针对具有 64 个 18 650 单体电池模块设计了 8种间接接触散热结构， 并运用 数值计算方法对比分析了 27 ℃下各冷却结构的散热效 果， 得到了影响冷却结构散热效果的因素和最佳的冷却 方案。唐爱坤等[8]设计了一种具有微小通道冷却扁管的 散热结构， 并利用实验和数值模拟相结合的方法对方形 动力锂电池进行生热特性及冷却分析， 结果表明该结构 能有效降低电池组温度。虽然在采用液冷方式的动力电 池热管理研究中已取得了一定的进展[9- 13]， 但对其液冷 方式研究还有很大的提升空间， 以满足空间占用更小， 更安全， 更高效的电池组冷却需求。

　　本文针对方形锂离子电池模组， 采用液冷散热方式， 冷却介质为水， 设计 4 种冷却水道模型， 并应用数值仿 真研究锂离子电池模组液冷散热结构中各个参数变量如 进水口的位置、支流数量、水流速度等对散热效果的影 响， 最后根据仿真结果来改进散热结构， 得到影响冷却 结构散热效果的因素并设计出最佳的液冷散热结构。

　　1 电池热管理系统设计与网格独立性验证

　　1.1 系统设计

　　本文的电池热管理系统采用液冷散热， 由 5 块方形 锂离子电池单体串联构成电池模组， 单体电池相关参数 如表 1 所示。为了让每一块电池能够更好地与冷却液接 触， 在电池两侧设计冷却水道， 这样能够分隔两块相邻 的电池， 有利于电池内部的热量及时地传递出去。电池 工作产热时， 同一块电池周边温度会低于中间部分温 度。为了更好地控制电池温度， 在冷却水道的中间部分 设支流水道， 根据冷却液的吸热计算公式 ( 1) 可知冷却 液的水流速度与吸热速率成正比， 因此， 这样的设计有利于带走更多电池中间部分的热量。

　　共设计了 4 种冷却水道模型， 分别为上中下分支 (纵式) 5 通道、上中下分支 (纵式) 7 通道、左中右分 支 (横式) 8 通道、左中右分支 (横式) 5 通道， 如图 1 所示。冷却水道布置在电池与电池间隙内， 进/出水口在 水道上下端， 热量传递过程中， 热量由电池产生， 冷却 液从进水口进入从出水口流出， 通过电池与冷却水道的 接触把热量递给冷却液， 最后通过水道路径把热量带出。

　　1.2 网格独立性验证

　　数值仿真计算通过商用计算流体动力学 (Computa⁃ tional Fluid Dynamics， CFD) 软件 STAR-CCM+13.04 求解 质量守恒方程、动量守恒方程和连续性方程。液体在通道 里流动分层流和紊流，通过计算雷诺数可知本文模型为层 流模型。采用隐式不定常的求解模式， 隐式时间步为 1 s。 所研究的电池模组对称分布， 因此在数值仿真中采用三 维对称式模型， 如图 2.电池采用多面体网格， 冷却水 道采用六面体网格，为了提高传热计算的精度，对冷却水 道网格进行局部加密，为了获得与网格无关的数值解，分 别对网格数量为 96 521 、135 570 和 245 130 的计算模型 进行求解， 获得在 5C 放电倍率下电池表面的最高温度， 如图 3. 可知网格数量从 135 570 增加到 245 130. 最高 温度的变化不超过 0.5 ℃， 因此认为网格数量为 135 570 时可获得网格独立解， 以下分析均基于该网格模型。

　　1.3 计算模型及边界条件

　　本文所采用由 Bernardi 等[14] 提出的电池生热速率模 型进行电池生热特性分析， 假设电池内部热源稳定并且是均匀生热， 计算公式如下：

　　由式 (2) 可知， 恒倍率放电时电池内阻变化是影响 生热速率的关键参数， 本文采用 Belt[16]提出的 HPPC 测试 法测量锂离子电池内阻。根据测得的数据拟合得到发热 量 q 随时间 t 的变化曲线， 并据此编写描述动力锂电池生 热的 UDF 程序作为电池的热源项， 该方法可以精确模拟 随时间变化的动力锂电池生热过程， 能为电池组散热的 研究提供计算依据[7]。

　　本文所采用的冷却水入口边界条件为速度入口， 出 口边界条件设定为压力出口， 环境温度为 25 ℃， 锂离子 电池组外壳设为绝缘， 即阻断电池组内部与外部之间的 热量交换， 保证内部热量只通过冷却介质导。

　　2 电池组冷却性能仿真分析

　　4 种冷却水道的不同之处在于水道的结构， 水道与 电池表面接触总面积不变。根据水道结构的不同， 可分 为纵式 (上中下式) 水道和横式 (左中右式) 水道， 根 据水道板中间分支数量， 每种形式水道又包含 2 种冷却 水道。文章将在 5C放电倍率下纵向研究相同进水流速 下， 4 种水道结构对热管理系统性能的影响; 横向研究 在相同水道结构下， 不同进水流速度对热管理系统性能 的影响; 此外， 为了解进出水口的位置对热管理系统性 能的影响， 进行相关模拟仿真。

　　2.1 管道布置对电池散热的影响

　　2.1.1 纵式分布型水道散热分析

　　冷却液不管是从上方还是下方进入纵式分布型水道， 都会先经过一片大面积区域， 再由大面积区域分支成一条支流， 之后再汇合于一片大面积区域， 最后流出。对 散热结构为纵向图 1 (a) 的电池模组进行研究， 支流管 道宽 7 mm， 管道数量为 5. 5 个电池单体下方都为进水 口， 模拟流速为 0.05 、0.07 、0.10 、0. 5 g/s 下电池组升温 情况， 仿真时间为 720 s， 电池模组热量分布云图如图 4. 由图可知， 任意流速下， 进水口的热量明显低于出水口 的热量， 并且越靠近出水口热量越高; 由于第 3 块电池 处在电池模组中间， 其热量最高， 而且热量随电池两边 往中间越来越高。同一散热结构， 流速越大， 散热效果 越好。

　　为研究不同分支管道结构对电池热管理系统性能的 影响， 对支流管道宽 5 mm、数量为 7 的图 1 (b) 结构在 不同流速下进行对比性仿真， 得到最高温度和最大温差， 如图 5~6 所示。由图 5 可知， 相同的流速下， 通道 7 的最 高温度明显要高于通道 5的最高温度; 对于同一条曲线， 如 7 通道的曲线， 在流速小于 0.5 g/s 时， 最高温度随着 流速的降低而升高并且升高的幅度很大; 当流速大于 0.5 g/s 时， 最高温度随着流速的增大而减少并且降低的 幅度很小。对于最大温差图 6. 曲线趋势与最高温度基 本一致， 但相同流速下的最大温差相差不大。

　　2.1.2 各管道布置对电池散热影响的分析比较

　　改变管道的布置形式， 对结构为图 1 (c) 和 (d)的热管理模型进行实验， 分析不同流速对电池散热系统 的影响， 仿真结果与纵式分布型水道基本一致， 再次证 明了流速对电池热管理系统的影响。为了更明确四种水 道结构在不同流速下对热管理系统性能的影响绘制 4 种 结构的最高温度 (图 7) 和最大温差 (图 8)。

　　由图 7 知， 不管哪种布置形式， 流速越快， 最高温 度越低; 纵式布置方式和横式布置方式对比， 在每种流 速下， 纵式布置的最高温度比横式布置的最高温度低; 再者， 纵式通道 7 最高温度比通道 5 的最高温度高。由图 8 知， 流速越快， 最大温差越低; 但流速一样时， 4 种布 置方式的最大温差距不大， 4 条曲线近似于重合， 因此， 本设计中管道的布置方式不会对电池模组的最大温差造 成影响。

　　综上： 采用纵式布置会比采用横式布置散热效果更 好， 采用少数量支流会比采用多数量支流更好。但是， 曲线不能反映全部现象， 还需要观察电池模组的热量分 布云图， 选择横式通道 5 和纵式通道 5 中流速为 0. 1 g/s 的 组别对比知， 纵式布置下， 电池蓝色区域面积明显要小 于横式布置的蓝色区域面积， 说明纵式布置电池模组的 电池散热效果优于横式布置的电池模组。

　　2.2 不同进出水口位置对电池散热的影响

　　以纵式通道 5 分布水道为研究对象， 流速为 0. 1 g/s， 通过改变底部进/出水口的类型， 研究不同进水口位置对 电池热管理性能的影响。图 9 所示为各种情况下的电池 热管理系统的热量分布云图。

　　整理每种不同的进出口布置下的数据， 观察每种散 热结构的热量分布图， 不难发现， 每种结构的红色区块 都是在中间部分， 即所有电池模组的最高温度都在电池 3 处， 因此， 电池 3 的最高温度数据即为所需的最高温度 数据。在 720 s 时， 所有电池模组的最高温度如图 10 所 示 (“J”和“C”分别表示“进”、“出”)， 由图可知， 所有布置形式中， 同一侧布置全部相同时， 即都为进水 口时， 最高温度最低; 交错布置时， 即进- 出-进时， 最 高温度最高; 其他布置形式时， 最高温度相差不大， 处 在所有实验组数据的中间， 而图 11 知电池模组的最大温 差趋势与最高温度趋势一样。

　　3 结束语

　　本文建立了锂离子动力电池的生热模型， 对单体电 池放电时温度分布开展仿真与试验， 验证了锂离子电池 模型及仿真方法的可行性; 设计了 4 种冷却水道模型并 在 5C 放电倍率下比较分析冷却液流量、进水口的位置不 同时温度分布云图及最高温度、最大温差图， 为锂离子 电池组散热结构的设计和研究提供重要参考。

　　研究结果表明， 纵式布置的电池模组比横式布置的 电池模组更能有效地降低最高温度， 并且分支越多， 电池模组的最高温度越高。增大冷却液流速， 电池模组最 高温度和最大温差均会越低。冷却管道进出口位置同种 排列时最高温度和最大温差均较小， 但热量在电池里的 分布不均匀， 容易引发电池安全事故， 交错布置时虽然 最高温度和最大温差较高， 但是热量在电池里的分布更 均匀， 其他布置方式则折中。因此设计锂离子动力电池 热管理方案时应从功耗和冷却效果综合考虑各项因素。

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