论波形扁管的电池液冷模组散热特性.docx

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1、论波形扁管的电池液冷模组散热特性摘要：针对圆柱动力电池的散热特点，建立一种基于微小通道波形扁管的液冷电池模组.采用电化学热模型对该模组的散热特性进行三维瞬态分析，通过改变波形扁管的通道数和接触角对液冷构造进行优化.10通道的波形扁管散热优势明显，增大波形扁管的接触角能够提升液冷构造的散热效率并改善电池组温度分布均匀性.当电池模组在35C环境下以1C倍率放电时，即便质量流量低至4103kg/s，使用接触角大于40的10通道波形扁管可将电池组外表最高温度控制在40C下面，同时将温差控制在5C以内.在优化工况下进行实验以验证该电池模组的换热性能.仿真结果与实验值基本一致，这验证了微小通道波形扁管的散

2、热有效性；仿真结果可为圆柱动力电池的热管理提供参考.关键词：圆柱动力电池；微小通道波形扁管；液冷；瞬态模拟；构造优化纯电动汽车是汽车节能环保的主要发展方向之一1，动力电池作为纯电动汽车唯一的储能装置，其性能优劣直接决定整车性能、安全及寿命等2.锂离子电池因具有能量密度高、自放电率低、循环寿命长等优势，成为目前纯电动汽车的最主要动力装置3-4.锂离子电池的使用性能及寿命与本身温度有直接的关系，温度过低会导致电池性能下降5，过高则可能引发起火、爆炸等安全事故6，而且，较大的温差会降低电池一致性7，大量电池并联或串联会使上述情况愈加恶化8.合理的电池组构造及热管理系统能使电池组在最佳温度范围内工作，

3、实现电池组温度分布的均匀性，并有效防止热失控导致的安全隐患9.通常来讲，纯电动汽车用锂离子电池热管理系统的设计目的是将电池的工作温度保持在2540C，且电池间温差始终不超过5C10-11.电池热管理方式根据传热介质可分为强迫风冷、液冷、相变材料phasechangematerial，PCM冷却、热管冷却等.Liu等9比照了风冷、液冷和PCM冷却的换热效果，结果表明：在冷却效率上，液冷高于PCM冷却，风冷效率最低；在动力电池组温差上，液冷稍逊于PCM冷却，风冷电池组最大.Chen等12比照了采用风冷、直接液冷、间接液冷和翅片冷却的软包电池的温升和温度均匀性，结果表明：为使电池组维持一样的温度，液

4、冷方式耗能缺乏风冷的二分之一；间接液冷较直接液冷更具可操作性.可见，液冷方式将还是将来动力电池热管理研究和应用的热门.动力电池按单体电芯形状主要有方形和圆柱形，两者的液冷构造有所不同.方形电池主要采用带有内流通道的液冷板与电池外表严密贴合进行换热，流道形状通常有蛇形、U形、平行一字形等15-17.针对圆柱电池，Pendergast等18将18650型圆柱电池组浸没在水中进行冷却，但浸没液冷方式尚未应用于电池热管理；Zhao等19在42110型圆柱电池周围布置包含若干个平行微小通道的液冷缸，并研究了通道数、质量流量、流动方向和入口尺寸对液冷缸散热性能的影响，结果表明，当质量流量为1103kg/s

5、时，四通道液冷缸能将电池组温度控制在40C下面，但仅通过增加质量流量很难将电池组温差控制在5C以内；Basu等20-21分别采用设有冷却液流道的导热元件包裹圆柱电池侧面，热量由电池外表传导至导热元件，再由冷却液带走.圆柱动力电池已广泛应用于纯电动乘用车，而关于圆柱动力电池液冷热管理的研究大多围绕提升换热效率、改善电池组温度均匀性和降低电池组温度波动进行.目前虽有电动汽车厂商将波形扁管应用于圆柱动力电池组的液冷热管理22，但鲜见关于此类液冷构造的具体研究报道.因而，本文针对某款使用18650型锂离子动力电池的纯电动汽车，设计一种采用微小通道波形扁管的液冷电池模组.仿真分析该液冷构造在高温工况下对

6、电池组散热的性能，通过改变波形扁管的通道数和接触角对液冷构造进行优化，并通过实验验证设计的合理性.1液冷构造设计如图1所示为本研究基于某纯电动汽车提出的18650型锂离子电池模组的构造.模组内每32颗18650型电芯并联构成1个电芯模块，相邻的电芯模块倒置以便于正、负极柱的电连接，每8个电芯模块串联成1个电池模组，每个模组包含256颗电池，模组内有1根微小通道波形扁管穿插于电池间，扁管侧面与每个18650型电池的圆柱面均严密接触.如图2所示，该波形扁管外形呈M状，管内有若干个沿宽度方向均布的平行流道，流道数越多，其与电芯的贴合度越高.波形扁管在与电芯的接触处适当弯曲，构成接触角，进而保证与电池

7、具有一定的换热面积.图中，为扁管壁厚，l为流道宽度，d为流道高度，为扁管与电芯的接触角，A0为扁管与电芯的接触面积，rb为电池半径.液冷工质通过波形扁管对电池进行冷却，单根扁管可冷却8列电池.2数值计算方法2.1电池生热及传热模型Bernardi等23提出了单体电芯生热率的计算模型，其简化形式24为式中：I、Eoc和E分别为电芯的电流、开路电压和端电压，Tb为电芯温度，Vb为电芯体积.对于LiMn2O4和LiFePO4电池，很多研究将忽略，并用IR代替EocE，其中R为电芯内阻，可通过实验在一系列SOC下获得其平均值25-26.针对圆柱电池，考虑导热系数各向异性的三维热传导方程27为式中：为密

8、度，c为比热容，k为导热系数，下标b表示电池，r、z分别表示径向、周向和轴向坐标，为放电时间.单体电芯、波形扁管和液冷工质的热物性参数如表1所示.表中，为动力黏度.2.2边界条件和网格独立性测试使用Fluent14.5软件对高温工况下电池组散热进行瞬态模拟，使用用户自定义程序userdefinedfunctions，UDF定义电芯热源和进口液冷工质温度.模拟的假设和边界条件如下：计算采用层流模型，进、出口分别设为质量流量入口和压力出口；工质流动外表无滑移，不考虑剪切应力，流固界面设为耦合面，固固界面的接触热阻设为0.0025m2K/W20；电池和波形扁管暴露在空气的部分视为自然对流换热，外表换

9、热系数设为5W/m2K28-29；流动和能量计算采用二阶精度，时间步长设为1s，单位时间步长迭代30次，连续性和能量方程收敛残差分别设为106和1012.将电池单体简化为直径为18mm、高为65mm的圆柱，计算区域采用构造化六面体网格，并对附面层附近的网格进行加密，得到7种不同网格数N的网格模型.以电池组外表最高温度max的计算结果作为评估网格密度的根据，结果如图3所示.当网格数大于5.99106时，max的变化不明显不超过0.1C，因而选用网格数不低于5.99106的网格模型.研究采用构造化六面体网格生成技术，并对边界层附近的网格进行加密.3液冷系统散热特性仿真及实验微小通道波形扁管的换热性

10、能受其通道数n和接触角等构造参数和管内工质流量等的影响.由于工质流量对散热性能的影响可由定性分析得到19-21，仅选取不同通道数n=6、8、10、12、14和不同接触角=20、30、40、50、60的波形扁管，通过仿真分析微小通道波形扁管在高温工况下的散热性能，并将其与实验结果进行比照.3.1液冷系统散热模拟对电池组在1C放电条件下的温度变化进行瞬态分析，截止荷电状态stateofcharge，SOC设为0.9，环境温度和进口液冷工质的初始温度均为35C，质量流量为4103kg/s，监控电池组外表的最高温度max和电池组的温差.如图4所示为采用具有不同通道数的波形扁管冷却电池组时的温度演化.图

11、中，p为波形扁管进出口压降，t为冷却时间.由图4a能够看出，自然对流条件下，电池组以1C倍率放电时，仅用865s，max即突破40C，放电结束时，max上升11.08C，到达46.08C；采用该波形扁管冷却后，尽管max仍逐步升高，但上升的速度明显降低.图4a还表明，max的增速总体呈放缓趋势，且采用10通道波形扁管进行散热时，电池组的max上升得最慢.当n从6增加到10时，放电结束时的max从41.14C降到39.27C，当n从10增加到14时，放电结束时的max上升到40.69C.这是由于在其他条件一样的情况下，通道数增加意味着波形扁管换热面积的增大，这会提升电池向扁管的导热能力，以及液冷

12、工质与扁管的对流换热能力；然而，过度增加通道数会增大液冷工质的流动截面积，使液冷工质的流速降低，反而削弱了液冷工质与扁管的对流换热.由图4b能够看出，放电经过中也逐步升高，这是液冷工质沿流动方向不断吸热，缩小了与下游电池间的温差，散热效果逐步变差导致的.采用10通道波形扁管进行散热时，电池组的上升得最慢，当n从6增加到10时，放电结束时的从5.85C降到4.12C；当n从10增加到14时，放电结束时的上升到5.52C，这是由于10通道的波形扁管的换热能力更强，在快速抑制上游电池温升的同时，对下游电池的温升仍有更强的抑制能力.在上述模拟条件下，当n=10和12时，可同时将电池组的max和分别控制

13、在40C和5C下面.鉴于n越大，波形扁管的成本越高，且图4b表明，当n=10和12时，波形扁管进出口压降相差不大，故选择10通道的波形扁管.如图5所示为采用具有不同接触角的10通道波形扁管冷却电池组时的温度演化.由图5a能够看出，随着的增大，max上升得越来越慢，放电结束时的也越来越小.当=20时，放电结束时的max为40.61C；当=30、40、50和60时，相应的max分别降至40.19、39.85、39.55和39.27C.这是由于，在其他条件一样的情况下，随着的增大，电池与波形扁管以及波形扁管与液冷工质的换热面积均增大，电池向波形扁管导热的能力以及液冷工质与波形扁管对流换热的能力均加强

14、，故拥有更大接触角的波形扁管能更有效地抑制电池组的温升.图5b显示放电经过中的也逐步升高，这同样是液冷工质的散热效果沿流动方向逐步变差导致的.但由图5b能够看出，随着的增大，上升得越来越慢.当=20时，放电结束时的=5.29C；当=30、40、50和60时，相应的分别降至4.94、4.64、4.38和4.12C.原因在于，拥有更大接触角的波形扁管具有更强的换热能力，在上游电池的温升被快速抑制的同时，下游电池的温升也遭到更有效的抑制.在上述模拟条件下，将波形扁管与电池的接触角从20增大到60，能够显著降低电池组外表的最高温度，同时优化电池组内的温度一致性；接触角大于40的波形扁管可同时将max和

15、控制在40C和5C以内.且由图5b可知，的增大未造成波形扁管进出口压降的明显增加，为快速抑制电池组的温升并减小电池组的温差，波形扁管的接触角选择60.值得注意的是，在一样时间内，换热能力更强的波形扁管内的液冷工质会从电池吸收更多的热量而温升更高，这会导致越下游的液冷工质与电池间的温差越小，反而在一定程度上削弱下游的换热效率.当接触角从20增大到60时，每增大10，放电结束时的max依次下降0.42、0.34、0.3和0.28C，同时依次下降0.35、0.30、0.26和0.26C.也就是讲，增大接触角能够提升液冷系统的散热效率，但提升得越来越不明显.当通道数从6增加到10时，每增加2通道，放电

16、结束时的max依次下降1.14和0.63C，同时依次下降1.11和0.62C，也表明液冷系统的散热效果提升得越来越慢.此外，max和的降幅基本一致，表明吸热更多的上游工质对下游换热能力的削弱是造成模组内温差降幅变慢的主要原因.3.2仿真优化结果仿真结果显示，在4103kg/s的质量流量下，采用接触角大于40的10通道波形扁管，能同时将电池组的max和分别控制在40C和5C下面.如图6所示为采用60接触角、10通道的波形扁管对电池组进行散热时，5个被监控电池的轴面温度分布，其中被监控电池的位置编号如图7所示.由图6能够看出，进口附近电池的散热效果最好，电池温度最低，沿液冷工质流动方向散热效果逐步

17、变差，电池温度逐步升高，电池组的最高温度出如今电池5中.在任一单体电池内部，最高温度总是出如今靠近电极的地方，而电池中部与波形扁管紧贴的部分温度最低，最大差异小于0.5C.3.3液冷系统散热实验为了验证仿真分析的结果，对优化后的液冷系统的热性能进行测试.采用新威CT-9008电池充放电仪进行电池组放电，通过Agilent34970A数据采集器上连接的多个T型热电偶采集电池温度，热电偶紧贴在圆柱电池外壁靠近正极的位置，贴热电偶的电池及热电偶的位置如图7所示.实验前先将电池组及液冷装置置于35C恒温箱内至少4h，对电池组进行1C放电的同时开启液冷装置，并采集各测点温度变化情况.其中波形扁管的质量流

18、量为4103kg/s，进口液冷工质的初始温度和环境温度一样.如图8所示，在放电经过中，被监控电池温度的实验结果整体上比仿真结果偏小，且两者的绝对误差有增大的趋势，但最大绝对误差仅为0.37C，出如今电池2上；除电池1外，其他被监控电池的绝对误差大致一样；被监控电池温升的最大相对误差不超过14.25%，仿真结果与实验值基本吻合，因而上述构造参数和操作条件的优化分析是式中：sim和exp分别为仿真所得的和实验测得的被监控电池的温度.1自然对流条件下，电池组以1C倍率放电时，电池外表最高温度仅用865s即突破40C；采用微小通道波形扁管散热后，通过与18650电池侧面严密接触实现换热，有效降低了电池

19、组的温升速率，明显改善了电池组的换热条件2在本研究范围内，通道数为10的波形扁管散热效果最好；增大波形扁管接触角能够提升液冷构造的散热效率并改善电池组温度分布均匀性，但散热效率提升得越来越缓慢，且吸热更多的上游液冷工质对下游换热能力的削弱是造成模组内温差过大的主要原因.3构造优化后的微小通道波形扁管具有良好的换热性能.当质量流量为4103kg/s时，采用接触角大于40的10通道波形扁管能将35C环境下以1C倍率放电的电池组的温度控制在40C下面，且将温差控制在5C以内.4基于微小通道波形扁管的液冷热管理电池模组构造能够知足电池组热管理的要求，且构造紧凑，有利于圆柱动力电池模组标准化和实际应用.