分流式熱沉下鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)探究

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摘要:院鋰電池熱管理的目標(biāo)是為了確保電池組的最大溫度和電池單體之間的溫差在合適的范圍內(nèi)，本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了分流式熱沉和矩形直通道熱沉對(duì)方形鋰電池包在1C放電倍率下冷卻效果，結(jié)果表明：分流式熱沉具有更加優(yōu)良的換熱性能和熱均勻性，在入口流量為0.03~0.27kg/s范圍內(nèi)，冷卻液為進(jìn)口為300K的水和乙二醇混合物，相較于矩形直通道熱沉，分流式熱沉可以將電池包的最大溫度降低2毅，電池單體的最大溫差相較于矩形直通道降低最高可達(dá)72%。

關(guān)鍵詞:院鋰電池?zé)峁芾?；分流式熱沉；?shù)值模擬

0引言

為了緩解環(huán)境污染、能源枯竭等問(wèn)題，各國(guó)政府加大了對(duì)新能源汽車領(lǐng)域的資金投入和政策支持，希望通過(guò)汽車產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，盡可能的降低汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)化石能源的消耗[1]，與傳統(tǒng)汽車不同依靠?jī)?nèi)燃機(jī)作為驅(qū)動(dòng)核心不同的是動(dòng)力電池是新能源汽車的最主要的動(dòng)力來(lái)源，動(dòng)力電池的容量、穩(wěn)定性、安全性對(duì)新能源汽車整體的性能具有重要影響[2]。在電池材料選擇方面，鋰離子電池由其本身的優(yōu)勢(shì)得到了大多數(shù)新能源汽車廠商的青睞，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在三方面，一是能量存儲(chǔ)密度高，二是耗水量少，三是綠色環(huán)保，動(dòng)力鋰電池在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何的污染物質(zhì)，此外其自放電率也非常低。鋰電池的工作性能和壽命與溫度密切相關(guān)，因鋰電池的工作特性和環(huán)境，在車輛行駛過(guò)程中不可避免的會(huì)釋放出大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致電池組的溫度上升，電池組內(nèi)單體電池存在溫差會(huì)造成單體電池差異性進(jìn)一步加大，從而電池整體性能降低，某些情況下會(huì)發(fā)生破裂，起火甚至爆炸[3-9]因此為了保證動(dòng)力鋰電池在充電和車輛行駛過(guò)程中的穩(wěn)定性和安全性，鋰離子電池的工作溫度應(yīng)保持在25~40益之間，單體電池之間的最大溫差不宜超過(guò)5益[9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋰電池?zé)?a href="http://www.coffee125.com/lunwen/guanlixitonglunwen/180966.html" target="_blank">管理系統(tǒng)做了大量研究。Chen等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬比較了不同冷卻方式的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，發(fā)現(xiàn)間接液冷系統(tǒng)最高溫升最低，雖然冷卻性能比直接冷卻稍低但是卻更加實(shí)用。Jarrett[11]對(duì)BTM（BattyThermalManagement）中冷板作用做了詳細(xì)的描述。冷卻液通過(guò)泵輸送到冷板，通過(guò)冷板內(nèi)部的通道同時(shí)通過(guò)對(duì)流換熱帶走電池傳導(dǎo)到冷板的熱量，達(dá)到冷卻電池的目的，冷板的冷卻性能主要由通道的數(shù)量、幾何參數(shù)（形狀、高度、寬度等）、冷卻液的流向等決定。他們利用數(shù)值方法，通過(guò)改變通道的幾何參數(shù)對(duì)一種蛇形通道冷板進(jìn)行了優(yōu)化。Huo等[12]設(shè)計(jì)了一種微型通道冷板的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，通過(guò)改變通道數(shù)。流動(dòng)方向、入口質(zhì)量流量對(duì)電池的最高溫度的影響，結(jié)果表明，電池最高溫度隨通道數(shù)和入口質(zhì)量流量的增加而降低。錢振等[13]采用微通道冷板對(duì)鋰電池進(jìn)行了冷卻，研究了流道數(shù)量、入口質(zhì)量流量、流道流向和寬度對(duì)電池組熱行為的影響。結(jié)果表明微通道液冷板對(duì)電池5C放電時(shí)的溫度具有良好的冷卻效率。Lan等[14]提出了一種鋁制微小通道的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并對(duì)其性能進(jìn)行了研究，在放電速率為1C時(shí)，入口流量為0.20L/min，電池最大溫度不超過(guò)27.8益，最大溫差小于0.8益。分流式微通道熱沉是Harpole[15]于1991年提出，其流動(dòng)結(jié)構(gòu)見圖1，最先是為了解決高功率微電子器件的散熱問(wèn)題，通過(guò)在微通道的微肋上增加一層分流結(jié)構(gòu)，改變熱沉內(nèi)部的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，由于分流式微通道自身的優(yōu)勢(shì)，在鋰電池散熱方面的潛力非常巨大：淤結(jié)構(gòu)緊湊可以大大降低汽車熱管理系統(tǒng)的重量，從而提高車輛的續(xù)航能力；于優(yōu)良的換熱均勻性對(duì)于鋰電池的壽命非常重要，鋰電池在使用過(guò)程中的溫差過(guò)大會(huì)導(dǎo)致電池包整體的使用壽命減小。由于分流式熱沉的具有比傳統(tǒng)熱沉更好的換熱性能與熱均勻性，且目前在電池冷卻方面研究較少，本文通過(guò)數(shù)值模擬研究了普通熱沉和分流式熱沉對(duì)方形電池包的冷卻效果。

1物理模型和數(shù)值方法

1.1物理模型圖

2為本文研究的方形鋰電池組的示意圖，該電池組一共包含18個(gè)電芯，編號(hào)如圖所示，電芯之間設(shè)置有一塊隔熱板，電池包下端有一塊導(dǎo)熱墊，導(dǎo)熱墊與熱沉直接接觸，熱沉的尺寸電池生熱由導(dǎo)熱墊傳導(dǎo)給熱沉中的流動(dòng)工質(zhì)，然后由流動(dòng)工質(zhì)帶走熱量冷卻，電池的尺寸為148.2mm伊497mm伊91mm，單個(gè)電芯的尺寸為148mm伊97mm伊21mm。

1.2數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

本研究選擇的仿真軟件為starCCM+2020，網(wǎng)格劃分模型選擇多面體網(wǎng)格、薄體網(wǎng)格、邊界層網(wǎng)格，邊界層設(shè)置為3層，總厚度取進(jìn)口水力直徑的10%頤0.0003m。熱沉材料為鋁，冷卻工質(zhì)為乙二醇和水的混合物，按體積混合，比例為1頤1，混合后的密度為1071.1kg/m3，動(dòng)力粘度為0.00394pa/s，進(jìn)口溫度為300K，電芯導(dǎo)熱率設(shè)置為各向異性，X、Y、Z方向的導(dǎo)熱率分別為23.4W/m·K、5.3W/m·K、17.4W/m·K，熱源設(shè)置為總熱源，為某方形鋰電池1C放電倍率下的發(fā)熱功率，電芯導(dǎo)熱率和發(fā)熱功率數(shù)據(jù)均為電池廠家提供。將發(fā)熱量表格導(dǎo)入STAR-CCM+將其作為電芯發(fā)熱功率，流動(dòng)模型選擇k-著湍流模型，進(jìn)口設(shè)置為質(zhì)量流進(jìn)口，出口為壓力出口，計(jì)算假定固體物性不變，流體不可壓縮。

1.3網(wǎng)格劃分與獨(dú)立性驗(yàn)證

為保證本文計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算前首先進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，可以看到隨著網(wǎng)格的數(shù)量超過(guò)159萬(wàn)進(jìn)出口壓差變化很小，因此考慮到節(jié)約計(jì)算時(shí)間和計(jì)算機(jī)的性能，采用網(wǎng)格數(shù)量180萬(wàn)進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算（如圖3）。

2仿真結(jié)果分析

圖4為進(jìn)口流量為0.03kg/s時(shí)，兩種熱沉冷卻的電池包溫度分布的俯視圖和側(cè)視圖，鋰電池冷卻的主要目的是控制電池的最高溫度和單體電池之間的溫差，從下面的溫度分布圖來(lái)看，顯然采用分流式熱沉的電池包溫度分布更加均勻，最大溫度更低，在進(jìn)口流量為0.03kg/s的情況下，其電池包的最大溫度和最大溫差分別為309.98毅和6.52毅，而采用矩形直通道熱沉在同等條件下最大溫度和溫差分別為310.99毅和7.58毅，分流式熱沉與矩形直通道熱沉相比，電池包的最大溫度降低了1.01毅，最大溫差降低了1.06毅。在其他的流量情況下電池包的溫差和最大溫度也有類似情況，這表明分流式熱沉式熱沉相較于矩形直通道熱沉具有更加優(yōu)良傳熱特性和溫度均勻性。為進(jìn)一步分析不同電池單體同一區(qū)域的溫差情況，在每一個(gè)電芯的側(cè)邊面設(shè)置了三個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，不同電芯測(cè)溫點(diǎn)高度相同，從上到下共設(shè)置了3排54個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄從放電過(guò)程開始到結(jié)束每一排測(cè)溫點(diǎn)的最大溫度變化，第一排溫度變化見圖5。通過(guò)分析出每一排測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)中溫度最大值和最小值，然后做差，即可得出每一排測(cè)溫點(diǎn)的最大溫差，圖6為入口流量為0.03kg/s的情況下分流式熱沉和矩形直通道熱沉冷卻電池包的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大溫差變化曲線，可以看出隨著放電時(shí)間的增加兩者的最大溫差均呈現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)一直到放電結(jié)束，矩形直通道冷卻的電池包上升的速率明顯高于采用分流式熱沉冷卻的電池包，在放電結(jié)束時(shí)，后者三排溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大溫差依次為0.68毅、0.47毅和0.32毅，而矩形直通道冷卻電池包的三排溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大溫差依次為1.56毅、1.54毅和1.16毅，兩者的最大溫差均在電池的第一排即電池的上半部分，采用分流式熱沉冷卻的電池包相比采用矩形直通道冷卻的電池包，在其他的流量條件下也是類似情況，這表明分流式熱沉的熱均勻性明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的矩形直通道熱沉。

3結(jié)論

本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析了采用分流式熱沉和矩形直通道熱沉冷卻的電池包的溫度特性得出了以下結(jié)論：淤隨著入口流量的增大，電池包的最大溫度逐漸下降，下降速率不斷減小，采用分流式熱沉冷卻的電池包的最大溫度在放電開始到結(jié)束均小于采用矩形直通道散熱結(jié)構(gòu)的電池包。且最大溫度區(qū)域都位于電池包的電極處。于在相同流量條件下，采用兩種換熱散熱結(jié)構(gòu)的電池包單體的最大溫差均位于電極處，但采用分流式熱沉能夠更好的控制電池包的最大溫差，在0.03kg/s進(jìn)口流量的條件，不同電池單體的相同區(qū)域的最大溫差下降了56%、69%和72%。

作者:張瀚文 單位:四川大學(xué)水利水電學(xué)院