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鋰離子電池模組液冷散熱設計
近年來，由于國家經濟的迅猛發展，傳統內燃機汽車的大量普及和應用，致使能源短缺、環境污染等問題日益突出，引起全球各個國家的廣泛關注[1]。因而新能源電動車將成為未來汽車行業發展的必然趨勢。電動汽車的動力來源于動力電池，所以對電動汽車而言，其動力性能取決于動力電池的性能[2]。鋰離子電池由于具有工作電壓高、比能量高、自放電率 低、無記憶性以及對環境無污染等優勢，現今已成為最具有發展前景的動力電池。但鋰離子電池在工作過程中會產熱， 若是這些熱量無法及時散出去，熱量一旦積累起來將會導致電池包溫度升高和溫度分布不均勻，從而致使電池性能下 降，嚴重的話甚至引起電池發生熱失控，進而危及安全[3-4]。因此，設計一個可靠高效的電池熱管理系統至關重要。合理的電池熱管理系統需保證模組最大溫差不超過 5 ℃，模組能 保持在 20~ 40 ℃范圍內工作[5]。為了及時排出電池在工作過程中產生的熱量，各式各樣 的冷卻方式不斷被提出和改進。Fan 等[6]研究了空氣流量對電池模組散熱效果的影響，研究發現增大空氣流量可以降低電池模組的最高溫升。Chen 等[7]研究了四種單體冷卻方式：風冷、直接液冷、間接液冷和翅片冷卻，結果表明，風冷系統要保持平均溫度不變，需要比其他方式多 2~3 倍的能量；間接液冷系統的最高溫升最低；系統體積相同情況下，間接液冷比直接液冷的冷卻性能略低，但其應用更為普遍。間接液冷系統目前主要研究液冷板的布置、流道設計以及結構優化等對冷卻性能的作用。Jarret 等[8]研究流道形狀、流道寬度以及冷卻介質流速對電池模組散熱效果的影響，結果表明，改變流道形狀、流道寬度或冷卻介質流速其中一樣， 都會影響電池模組的散熱效果。Xu 等[9]建立了 t 型分岔蓋板液冷散熱模型對電池模組散熱進行研究，結果表明，該結構可以使每個流道都流有均勻的冷卻液，有效地提高了電池模 組溫度均勻性。本文以電池模組作為研究對象，針對常見的液冷散熱串 行通道溫度一致性差的問題，結合串行通道和并行通道的特 征，提出了兩種新型流道結構。在單體熱模型的基礎上，建立了電池模型液冷散熱模型并對比了這幾種流道結構的散熱效果，驗證了所提出的新流道結構的優越性。
1 模型構建與驗證
本文測試的電池是合作商提供的一款 30 Ah 三元方形鋰離子電池，正極材料為鎳鈷錳(NCM，LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)，負極 材料為石墨，其具體技術參數如表 1 所示。對電池進行測試時，溫度傳感器設置在電池表面上部、中心處、下部以及側面中心處，如圖 1(a)所示。本文選取電池正面上中下三個位置 作為溫度采集點的原因是因為正面面積最大，這些點的溫升能夠體現出電池表面的溫度分布情況，從而為后文中單體熱 模型驗證研究工作的可靠性提供指導；而第四個采集點選取 為電池側面的原因是因為后文研究的電池模組模型中，液冷板主要通過與電池側面相接觸來帶走電池產生的熱量。
v>在 Fluent 中設置好相應的邊界條件后，在測試溫度為25 ℃下對單體電芯進行恒流放電的溫升仿真，恒流放電倍率 分別為 1 C、1.5 C 和 2 C，在模型相應的位置也設有四個溫度采集點。仿真與實驗的四個點溫度的平均值結果如圖 1(b)所示。由圖可知，在 1 C 放電倍率下，仿真與實驗的溫度曲線相仿；
而在 1.5 C、2 C 放電倍率下，仿真與實驗的溫度曲線雖然有一 些偏差，但最大偏差值低于 1 ℃。由此可知，在不同倍率下仿真與實驗溫升曲線有很好的一致性，證明本文所建立的單體鋰離子電池熱模型具有準確性。在單體熱模型基礎上建立了電池模組模型，該模組模型 包含 12 塊電芯與 2 塊液冷板，并且運用 CATIA 建立了簡化后 的電池模組模型，如圖 1(c)所示。本文研究單向進出口的液冷板流道，通過改變其串行通 道和并行通道來分別降低流道進出口的壓降和提高流量分 配的均勻性，從而改善模組溫度的一致性。設計了四種流道結構方案，如圖 1(d)所示，將四種方案的流道的管道橫截面積、管道間距等基本結構參數都設計一樣。后文將研究這四種流道的結構對電池模組的散熱效果和進出口壓降的影響， 選出最佳的結構方案。
2 結果與分析
2.1 不同流道結構散熱效果對比分析
研究四種結構方案下，2 C 倍率放電末期測得電池模組的 最高溫度與最大溫差數值如表 2。由表 2 可知，方案二的并行流道結構對模組的散熱效果最不理想，最高溫度和最大溫差都是最大；而方案一的蛇形流道結構進行液冷散熱，模組的最 高溫度值是最小的，但最大溫差值小于改進過的方案三，表明了改進過的流道結構可以提高電池模組溫度的一致性。如圖 2(a)所示，方案二的并行流道內冷卻液的流速最小， 但因為外側通道的流動阻力大，而中間的阻力小，以致出現
了分配的流量不均衡現象。方案一的蛇形流道內冷卻液的流速最大，而方案三和方案四的冷卻液流速位于方案一和方 案二之間，且兩者冷卻液分配的流量較均衡。如圖 2(b)所示，方案二的并行流道的壓降最小，方案一的 蛇形流道的壓降最大，而方案三和方案四的流道壓降大小介 于方案一和方案二之間。其中原理與液體流速原理一樣，流 道的壓降越大，使冷卻液流動起來需要的能量就越多，所消 耗的能量也就越多，相應的冷卻系統能量消耗也會增加。通過對上文研究結果分析，可以得出：同時考慮電池模 組散熱效果與冷卻系統的能耗情況，選定最優流道結構為方 案三結構。后文將以方案三結構對模組液冷散熱效果的影 響進一步展開研究。
2.2 冷卻液進出口位置對電池模組散熱效果的影響
研究兩側液冷板冷卻液進出口位置對電池模組散熱效果的影響，設計了四種進出口方案，如圖 3(a)所示。方案一和 方案二的兩側液冷板冷卻液進口均設計在模組的上端，前者 兩側液冷板的進口方向一致，后者的方向相反；而方案三和 方案四的兩側液冷板冷卻液進口則都設計在模組上下兩端， 前者兩側液冷板的進口方向一致，后者的方向相反。2 C 倍率放電結束時的不同方案下模組溫度分布云圖如圖 3(b)所示，模組的最高溫度和最大溫差數值如表 3 所示。結合圖表分析可得：方案三散熱效果最好。
2.3 冷卻液流量對模組散熱效果的影響
仿真研究不同冷卻液流量對模組散熱效果的作用，在仿 真軟件中設置模組的初始溫度與冷卻液的初始溫度都是 298.15 K。2 C 放電結束時模組溫度分布云圖和溫度曲線圖分別如圖 4(a)和(b)所示，模組最高溫度和最大溫差如圖 4(c)和(d)所 示。從圖中可以看出，增加冷卻液流量雖然能夠降低模組的 最高溫度與最大溫差，但降低的幅度逐漸減小。因此，冷卻液流量的選擇應綜合考慮散熱與能耗情況。
2.4 冷卻液初始溫度對模組散熱效果的影響
在冷卻液流量 0.1 L/min 和環境溫度 298.15 K 的條件下，仿真研究不同冷卻液初始溫度對電池模組散熱效果的影響。2 C 放電結束時模組溫度分布云圖和溫度曲線圖分別如圖 5(a)和(b)所示。模組最高溫度和最大溫差如圖 5(c)和(d)所 示。從圖中可以看出，降低冷卻液初始溫度能夠降低模組的最高溫度但同時也會增大模組的最大溫差。因此，冷卻液的初始溫度應該選擇個中間值，不宜過低。
2.5 流道結構參數對模組散熱效果的影響
本節研究流道的入口寬度、入口長度以及間距三個結構參數對電池模組液冷散熱效果的影響。其中，流道長度取值范圍依據液冷板厚度方向尺寸，流道寬度和流道間距的取值范圍除了考慮液冷板長度方向尺寸限制外，還保證了兩者之間互不干涉，比如如果流道間距過大，則流道長度應該適當減小。仿真輸入電流均為 2 C。(1)流道入口寬度在其他條件不變情況下，仿真研究不同入口寬度(width)對模組液冷散熱的影響如圖 6(a)和(b)所示，其中入口寬度取2.6、3.4、4.2 和 5 mm。由圖可知，隨著流道入口寬度的加大，模組最高溫度逐漸上升，但上升范圍不大，而模組的最大溫 差整體趨勢卻是下降的。(2)流道入口長度在其他仿真條件不變下，研究不同入口長度(length)對模組液冷散熱的影響如圖 6(c)和(d)所示，其中入口長度取 4、6、 8、10 和 12 mm。由圖可知，模組最高溫度受入口長度的影響極小，模組的最大溫差隨著入口長度的加長而上升，并且上升幅度顯著。(3)流道間距在其他仿真條件不變下，研究不同流道間距(ds)對模組液冷散熱的影響如圖 6(e)和(f)所示，其中間距取 23、25、27 和 29 mm。由圖可知，模組最高溫度幾乎不受間距的影響，但最大溫差卻因間距的增加而逐漸變大。
3 結束語
本文在恒流放電工況下對單體電芯進行溫升的仿真與實驗研究，結果表明在不同倍率下仿真與實驗溫升曲線有很好的一致性，驗證了單體鋰離子電池熱模型具有很好的準確性。其次，在單體電池熱模型基礎上建立了模組液冷散熱模型，比較分析四種不同流道結構下模組的散熱效果，結果表明方案三結構是具有最優散熱性能的流道結構。最后，以方 案三結構進一步展開研究，仿真分析在不同冷卻液進出口位置、流量、初始溫度以及流道結構參數下模組的散熱性能。
結果表明：(1) 兩側液冷板的冷卻液進口位置分別設計在電池上下端時的液冷散熱效果相對較好；(2)增大冷卻液流速能夠顯著改善模組的散熱效果，但流量過大會使液冷系統的能量消耗增加；(3)冷卻液的初始溫度降低能使模組的最高溫度變 小，但模組的溫度均勻性會變差；(4)流道結構參數對模組的 最高溫度影響不大，但入口寬度減小、入口長度以及間距的 加大都會使模組最大溫差變大，影響溫度一致性。
