罗泽霖，毕崟，梁珂
（湖北汽车工业学院汽车工程学院，湖北十堰 442002）
锂离子电池是电动汽车的先进储能部件［1］。由于电动汽车的电池布置空间有限，电池排列紧凑，电池在工作中放出的大量热量不易散出，容易造成电池组温度升高进而引发安全问题［2］。锂离子电池的适宜工作温度为20～40℃，单体电池或电池组内部最大温差不应超过5℃［3］。因此，对电动汽车电池组进行热管理研究，使其温度均匀分布并被控制在适宜区间内具有重要的意义。杨润泽等［4］对某结构下的方形电池包进行了风冷散热的数值模拟研究，通过改进散热结构改变气流的流动提升了电池包的冷却效果。Huo 等［5］基于方形电池的微通道冷板散热系统研究了冷却液入口质量流量和环境温度对电池冷却效果的影响，得出了在良好冷却性能时的最佳入口质量流量。胡兴军等［6］探究了不同结构下的冷却管道对18650锂离子电池组散热效果的影响，发现采用U形冷却管道设计的电池组散热效果最好。上述学者主要研究了改变内部单一冷却结构或者仅改变冷却液入口条件对电池组散热效果的影响，没有同时考虑到不同冷却结构在不同边界条件下的散热性能，且其冷却结构的散热效果还有待提升。文中对某电动汽车上21700 锂离子电池组的液冷散热系统进行了数值模拟，分析了不同冷却通道结构对电池组散热效果的影响，研究了冷却液入口条件对不同冷却通道结构的电池组散热性能的影响。
1）电池热模型 锂电池内部的产热与传热过程较为复杂，为了减小计算量，对模型进行简化。假设电池内部各处的密度及比热容都相同且不变，假设电池在同一方向的导热系数都相同且不变，忽略电池内部的辐射散热。结合Chen［7］的模型，建立圆柱形锂离子电池热数学模型：
式中：ρ为电池的密度；
Cp为电池的比热容；
λr、λθ、λz分别为电池在法向、径向和轴向的导热率；
r为电池半径；
T为电池温度；
q为单位体积生热速率。
2）电池生热速率 电池选用某厂商生产的21700型三元锂电池作为研究对象，电池规格参数如表1 所示。电池生热速率通过Bernardi［8］建立的电池生热模型进行估算：
表1 电池规格参数
式中：U0为电池开路电压；
I为电池充放电电流；
R为电池内阻；
V为电池体积；
K为温度影响系数，取0.3 mV·K-1。由式（2）可知，电池生热过程是动态变化的，实际放电中，电池内阻会随着荷电状态和充放电电流的变化而改变。文中选择以电池的最大放电倍率3C为研究工况。图1为25℃时3C放电下电池内阻随荷电状态变化的关系拟合图，相关内阻测试参考文献［9］。图1中函数曲线采用6 阶多项式拟合，电池内阻与荷电状态间的关系式为
图1 电池内阻随荷电状态变化图
式中：SC为电池荷电状态。由于研究是在电池恒流放电下进行，荷电状态可由Cheng［10］提出的恒流放电荷电状态计算公式得出：
式中：SC0为电池初始时刻的荷电状态；
CR为电池额定容量。综合式（2）～（4），求出q与t的函数关系，编写用户自定义函数（user defined functions，UDF）程序，导入到Fluent中加载热源项。
3）电池热物性参数 表2 为电池相关材料的热物性参数，根据文献［11］中的圆柱锂离子电池等效参数公式，计算出电池密度为2833.9 kg·m-3，比热容为1377.6 J·kg-1·K-1，法向导热率和径向导热率为2.7 W·m-1·K-1，轴向导热率为29 W·m-1·K-1。
表2 电池材料热物性参数
4）电池自然对流散热计算 在SpaceClaim 中建立锂离子电池三维模型，使用Fluent Meshing 进行网格划分，体网格采用Poly-Hexcore网格生成方法，得到最终的网格模型。在Fluent中设置电池材料热物性参数，将UDF程序设为电池的体积热源。电池表面与外界环境设置为对流换热，环境温度为25℃，换热系数取6 W·m-2·K-1，时间步数设置为1200，时间步长为1 s，最大迭代数为20。计算完成后的3C 电池放电结束时的温度云图见图2。通过图2 可以看出，电池在放电结束时，电池表面最高温度达到56.69℃，最大温差达到0.37℃，电池内部最高温度达到56.8℃。电池表面高温部分主要聚集于电池径向和轴向的中间位置，且径向温度从中心向边缘逐渐降低，轴向温度由中间向两端逐渐减小。电池最高温度低于电池的规定工作温度上限值60℃，但高于电池的适宜温度范围。
图2 电池自然对流散热温度云图
2.1 电池组液冷系统模型
电动汽车电池包通常由多个电池模组构成，每个模组又可分为多个电池组，每个电池组由一定数量的单体电池构成。考虑到计算资源有限，为了降低计算量与仿真时间，选取电池包模组中的1个电池组进行仿真，该电池组由42 个单体电池并联构成。电池组采取间接接触式液冷冷却方式，冷却系统由水泵、冷却通道、电池组箱体、箱体盖板、冷却液、绝缘材料以及隔热材料等组成。冷却通道和电池组箱体采用一体式设计，通道壁和电池组箱体均采用铝作为热传导材料，单体电池与箱体壁面之间填充一定的绝缘材料，冷却液选用50%体积浓度的乙二醇水溶液。电池排列间距为6 mm,冷却通道截面为4 mm × 58 mm，通道壁面与电池表面的间距为1 mm，电池组箱体外部尺寸为197 mm ×170 mm×62 mm。电池组冷却系统模型示意图如图3所示。冷却系统工作时，电池产生的热量经电池组箱体传导至冷却通道壁面，同时冷却液被驱动流进冷却通道中，冷却液与通道壁面发生对流换热并随着流体的流动散出热量，进而使电池组冷却。
图3 电池组冷却系统模型示意图
2.2 不同冷却结构下的液冷散热仿真分析
冷却过程中，冷却通道的结构对电池组的冷却效果和热均匀性具有重要影响。文中设计了6 种不同结构的冷却通道，如图4所示。结构1和结构2 的冷却通道为方形结构，结构3 的冷却通道为U形环绕结构，结构4 的冷却通道为回形环绕结构，结构5的冷却通道为蛇形环绕结构，结构6的冷却通道为蛇形环绕2颗单体电池的结构。
图4 冷却通道结构及电池布置模型图
对冷却系统进行网格划分，设置冷却系统各部分材料属性，边界条件中电池表面与箱体接触面、冷却液与通道壁面设置为耦合传热，电池箱体外表面设置为绝热，冷却液入口边界条件为速度入口（与流量入口边界条件相互转换），入口温度为25℃，出口边界条件为压力出口，入口冷却液雷诺数计算为1698，采用层流模型。求解方法中压力速度耦合采用couple算法，空间离散格式采用二阶迎风格式，时间项离散格式采用一阶隐式。残差收敛标准设置连续性方程为1.0×10-3，动量方程为1.0×10-3，能量方程为1.0×10-6。时间步数设置为1200，时间步长为1 s，最大迭代数为20。由单体电池的自然对流散热可知，散热后的单体电池表面温差较小，且高温集中在电池的径向和轴向的中间部位。为了方便同时观察电池组和冷却液的温度分布，选取电池组的水平中间截面作为观察对象。计算完成后的3C 电池放电结束时的温度云图如图5所示，反映了电池组的最高温度和温度均匀性以及冷却液和电池组箱体的温度情况。
由图5可以看出：采用结构1散热后，电池组最高温度为30.04℃，高温主要集中在电池组中间靠右的区域，温度均超过28℃。采用结构2 散热后，电池组最高温度为30.06℃，主要集中在电池组底部中间的区域，温度均超过28℃。采用结构3散热后，电池组最高温度为29.17℃，主要集中在电池组的底部区域，温度均超过27℃。采用结构4 散热后，电池组最高温度为28.95℃，主要集中在电池组的内圈区域及靠左的外侧区域，温度均超过27℃，整个电池组的散热温度和均匀性较好。采用结构5 散热后，电池组最高温度为28.88℃，主要集中在电池组的底部区域，温度均超过27℃。采用结构6散热后，电池组最高温度为29.04℃，主要集中在电池组的底部区域，温度均超过27℃。采用不同冷却通道结构的电池组散热性能参数如表3 所示。综上所述，采用结构4和结构5的电池组冷却效果最好，其中结构5冷却后的最高温度最低，为28.88℃，而结构4冷却后的电池组最大温差最小，为2.68℃。结构3 和结构6 的冷却效果较好，最高温度均为29.1℃左右，电池组最大温差均为3.2℃左右。结构1和结构2的冷却效果较差，最高温度均超过30℃，电池组最大温差均超过4℃。6种冷却结构均满足电池组适宜温度范围和最大温差的要求。
图5 电池组强制液冷散热中间截面温度云图
表3 不同冷却通道结构设计温度参数 ℃
电动汽车电池热管理主要是通过改变冷却液的入口流量和入口温度来实现对电池组温度的控制，选用合适的冷却液入口条件参数，使电池组控制在适宜的温度和温差范围内尤为重要。
1）冷却液入口流量 冷却系统其他仿真条件不变，冷却液入口温度设为25℃，改变冷却液入口流量，计算不同冷却结构的电池组在放电结束时的散热情况。散热后电池组最高温度和电池组最大温差如图6a～b所示，当冷却液流量增大时，电池组的最高温度和最大温差都呈下降趋势。流量从0.3 L·min⁻¹上升到1 L·min⁻¹时，最高温度和最大温差下降幅度最大，温度最高降低5.04℃，温差最高降低3.97℃。流量从1 L·min⁻¹上升到2 L·min⁻¹时，最高温度和最大温差下降幅度较小，温度最高降低1.2℃，温差最高降低1.05℃。流量从2 L·min⁻¹上升到5 L·min⁻¹时，最高温度和最大温差下降幅度趋于平缓，温度最高仅降低0.86℃，温差最高仅降低0.78℃。这是因为冷却液流量的增加提高了冷却液与通道壁面之间的换热系数，增加了冷却系统的热交换能力，使电池组的最高温度逐步降低。由于相对于电池组最高温度，冷却液流量的改变对电池组最低温度的影响较小，使得电池组最大温差的变化与电池组最高温度的变化情况相似。当冷却液流量进一步上升时，冷却系统的热交换逐步呈饱和状态，电池组最高温度及最大温差下降的幅度越来越小。同时，冷却液流量的不断上升也会使水泵功率进一步增大，导致冷却通道进出口压力损失过大。所以，在满足散热性的前提下，应尽量选用较小的冷却液流量。因此，冷却液入口流量应控制在1～2 L·min⁻¹，此时冷却系统不仅具有良好的散热性，也具有较高的系统效率和经济性。
图6 不同冷却液入口条件下的电池组温度情况
2）冷却液入口温度 假设一定温度范围内冷却液的热物性参数不变。保持冷却系统其他仿真条件不变，冷却液入口流量设为1 L·min⁻¹，改变冷却液入口温度，计算不同冷却结构的电池组在放电结束时的散热情况。散热后电池组最高温度和电池组最大温差如图6c～d 所示，由于冷却液温度上升，电池组最高温度的变化呈线性增加，而电池组最大温差的变化相对平稳。这是因为冷却液温度的上升，缩小了电池组与冷却液间的温度差，导致相互之间热交换的热量变少，使电池组的最高温度逐步增加。而入口冷却液温度上升的过程也会导致电池组的最低温度增大，使电池组的温差变化不大。此外，采用过低的入口冷却液温度则需要大量的功耗对冷却液进行提前降温，同时锂离子电池的适宜工作温度范围为20～40℃，不适合在较低或较高的温度环境下工作。综合考虑，入口冷却液的温度应控制在25～35℃，此时既能使电池组的冷却温度满足散热要求，也能减少需要降低冷却液温度所带来的能量损失，从而提高冷却系统效率。
采用不同的冷却通道结构设计可以有效改善电池组的散热温度及热均匀性，其中使用结构5的电池组冷却后能获得较低的电池组最高温度，而使用结构4的电池组冷却后的电池组最大温差较小。在一定范围内，通过提高冷却液入口流量可以显著地提升电池组的散热性能。冷却液入口温度的选择能在很大程度上决定电池组的散热温度，但对电池组的散热均匀性影响较小。考虑到冷却系统的功耗和成本，在满足系统散热需求的前提下，选用较小的冷却液入口流量和适中的冷却液入口温度将有利于提升冷却系统的工作效率和经济性。
猜你喜欢冷却系统电池组冷却液1600t风电安装船海水冷却系统坐底改造设计舰船科学技术(2022年11期)2022-07-15及时换管子捂紧钱袋子汽车维护与修理(2021年19期)2021-04-14奥迪EA839 发动机冷却系统组成及工作原理分析汽车维护与修理(2020年11期)2020-12-042017年7月原电池及原电池组产量同比增长2.53%消费导刊(2017年19期)2017-12-13锂离子电池组SOC估计算法的比较研究电子制作(2017年7期)2017-06-05宝马530车冷却液液位过低报警汽车维护与修理(2015年2期)2015-02-28桑塔纳3000车冷却液温度偏高汽车维护与修理(2015年1期)2015-02-28发动机冷却系统的科学养护汽车维护与修理(2014年10期)2014-02-28锂离子电池组不一致性及其弥补措施汽车电器(2014年5期)2014-02-28发动机冷却系统的技术动向汽车与新动力(2012年2期)2012-03-25