程闻笛,李 波,邓奇思,冯 伟,罗文强
(1.天能新能源(湖州)有限公司，浙江 湖州 313000；
2.宝鸡市科技创新交流服务中心，陕西 宝鸡 721000)
近年来，传统化石能源的过度利用导致全球气候变暖、大气污染等诸多问题，给人类的生存带来了艰巨挑战[1]。而电能作为汽车驱动力的来源，绿色无污染，很好的解决了长期以来汽车尾气排放带来环境污染的问题。新能源汽车的电能主要依赖动力锂电池包提供，锂电池具有使用成本低、重量轻、能量密度高、无记忆效应、低自放电性及循环寿命长等优点[2-3]。新能源高配版车型续航能力如今保持在500 km～700 km，在跨区域远程出行或遇到山区复杂路况时使用颇为不便，市场越来越需要电量更猛、能力密度超强的动力电池包出现，要求电车续航能力保持至少在1 200 km，这就对新能源汽车的动力性能提出了更高的标准。过高或过低的工作温度都会影响动力电池的放电容量、循环寿命等性能[4-9]，因此，很有必要深入研究动力电池的产热机理及实际工况下的温度分布特性。当下，评价动力电池包均温性能有两个衡量标准：(1)模组单体电芯同一部位之间的温差不超过5 ℃；
(2)模组电芯之间的最大温差不超过5 ℃。标准(2)行业内实现难度较大，主要是因为模组底部采用液冷板，沿模组高度方向温度递升很大，因此，锂电行业普遍采用更容易实现的标准一作为均温性衡量指标。
目前，动力电池包冷却主要有两种途径，分别为气流冷却和液流冷却[10-11]。气冷适用于结构较为简单的电池包，使用成本低，但散热能力有限，市场使用较少，仅适用于两轮电动车、三轮低速车等；
液冷由于冷却换热能力强，电池组均温性能好等优点，特别适合大电池包的复杂结构，广泛应用于新能源高端汽车的冷却系统。此外，还有相变冷却及热管冷却，但如今大多处于实验研究阶段[12-13]。
针对传统液冷板布置在模组底部的冷却方式，模组沿高度方向温度梯度变化过大，相关行业为了达成均温性指标，被迫只能采用难度较小的标准一来衡量单体间温差的难题，以及在模组两侧全部布置液冷板带来材料加工成本过高的情况。该研究在传统模组底部液冷板布局基础上，模组中上部(沿模组高度方向)增加两侧液冷板，很好解决了模组单体电芯温差过大的问题，为动力电池包安全高效工作提供强有力的保障。
2.1 几何模型
研究中，使用12个串联的磷酸铁锂单体电芯模组作为发热冷却研究对象，其中，单体电芯容量50 Ah,长度为115 mm,高度为180 mm,厚度为32 mm[14],具体规格参数见表1所示。物理模型主要由12个单体电芯、液冷板、导热垫及导热胶组成，见图1所示。液冷板壁厚为8 mm,不同液冷板内部分别设计圆柱形、长圆形、椭圆形孔，呈等间距分布，见图2，且各个孔型的液冷板开口面积保持不变，见表2所示。液冷板针对电池模组有两种布局方式，一种放置在模组底部，工作条件下，从底部对高温发热模组进行热冷却；
另一种设计在模组底部和两侧，多方向同时对发热模组进行热控制，见图3。导热垫厚2 mm,导热率为2 W/(m·K)；
导热胶厚度为1.5 mm,导热率为0.3 W/(m·K)；
单体电芯材料为各向异性，沿长度及高度的热导率为20.6 W/(m·K)，厚度方向的热导率为1.5 W/(m·K)[15]。
图1 电池组物理模型Fig.1 Physical model of battery pack.
图2 不同孔型的液冷板(a)圆形孔(b)长圆形孔(c)椭圆形孔Fig.2 Liquid cooling plates with different orifices(a) Circular hole (b) long circular hole (c) Oval hole.
表1 电池规格参数Table 1 Battery specifications.
表2 冷却孔参数Table 2 Cooling hole parameters.
图3 电池模组两侧和底部液冷板布局Fig.3 Liquid cooling plate layout on both sides and bottom of battery module.
2.2 控制方程
冷却传热现象严格遵守物理规律，概括起来主要有三大控制方程。
2.2.1 连续性方程
(1)
式中：ρ为密度，u,v及w分别为x,y,z方向上的速度。
2.2.2N-S方程
(2)
(3)
(4)
式中：p为作用于流体单元上的压强，单位pa;τxx，τxy，τxz为作用于微元表面的粘性力；
Fx，Fy，Fz为直接作用于微元体的力，微元体仅受重力作用时，Fx=0，Fy=0，Fz=-ρg。
2.2.3 电池能量守恒方程
(5)
式中：ρ和c分别为电池的密度和比热容，λx，λy,λz分别为电池三个方向上的热导率,Q为电池内部的发热量。
2.3 锂电池的热特性
锂电池产生的热量主要由两部分组成，一部分是电池内部的化学反应热，常温条件下这部分热量占比较小，另一部分是电池内部电阻引起的欧姆热。目前，动力电池产热情况主要由Bernardi的生热模型来表达：
(6)
Bernardi的生热模型基于以下假设：1.电池内部的产热是均匀的2.材料的热物性参数不随温度及荷电状态(SOC)的变化而变化。
电池内阻与电池的充放电倍率及SOC荷电状态密切相关，研究中，采用100 Ah单体电芯在常温25 ℃，1 C放电倍率下进行实时仿真温度数据与实验测试数据对比，见图4所示，两者温度偏差保持在3.15%范围内，仿真精度较为可靠。
图4 电芯表面几何中心处的实测温度与仿真温度对比Fig.4 Comparison between measured temperature and simulated temperature at the geometric center of the cell surface.
2.4 计算域与边界条件
计算域由物理模型、空气域及液流域组成，如图5所示，空气域即模组所处的外界环境温度设定为25 ℃；
电池模组单体电芯的发热源定义通过udf程序来加载，根据1C放电工况下的R-SOC数据(测试部门HPPC混合脉冲法测试取得)处理得到发热功率随时间变化的程序文件。
图5 计算域与边界条件Fig.5 Computational domain and boundary conditions.
冷却液流采用质量流量进口，各个孔总进口流量为0.51 g/s，且每个分孔进口流量均等，进口冷流的初始温度设为18 ℃，出口使用一个大气压的压力出口。此外，整个计算域设置重力条件，空气域采用不可压缩空气，进行瞬时计算，电池模组的初始温度设为38 ℃，持续放电时间1 h,研究电池组温度变化规律。
2.5 网格划分与无关性验证
采用 ANSYS 2020R2 Mesh对电池计算模型各个部件进行分块网格划分，电池模组、液冷板、导热垫、导热胶等使用六面体网格单元，以便提高计算效率，导热垫沿厚度方向网格划分两层，空气域采用较为稀疏的四面体网格划分，总的网格划分单元为582 W，网格划分见图6所示。
图6 计算模型(内部模组各部件)网格划分Fig.6 Grid division of calculation model (internal module components).
网格单元量影响仿真计算结果的精度，但网格量超过一定范围后对精度的贡献很小，相反会占有计算机大量存储空间，严重影响计算效率，因此，仿真计算中应采用适宜的网格单元量。经网格无关性验证，采用582 W网格单元量较为合适，计算结果几乎不发生变化。
2.6 数值求解方法
研究中使用Fluent Solver作为求解器，设置SIMPLE算法，数值离散格式采用PRESTO！。求解格式为高阶求解。收敛标准为残差值小于10-5。
3.1 不同孔型液冷板对电池模组换热影响
图7不同孔型液冷板作用下模组的温度分布图可以发现，沿着模组高度方向，模组温度持续不断提升，尤其是模组中上部区域，这是由于底部与液冷板换热强烈，产生的大量热量及时被液冷板吸收掉；
左右两端的模组单体电芯由于直接于空气接触耦合散热，散热情况较好，温度分布略低。将三个孔型的模组温度分布进行对比分析，并结合表3统计数据可以得知，在相同入口截面积及流量的条件下，长圆形孔液冷板作用模组的最大温差为9.0 ℃，明显小于其他两个孔型，与圆形孔和椭圆形孔比较，能够及时在孔上方更大区域有效地吸收模组传递下来的热量，温度分布因而更为均匀，即对模组的冷却作用表现更为均衡；
圆形孔及椭圆形孔冷却的模组的最大温差为9.4 ℃和9.3 ℃，冷却作用基本一样，这是由于单个椭圆形孔与液冷板之间的换热面积更大，散热能力较强，但在总的相同入口面积这一条件的限制下，椭圆形孔的个数小于圆形孔，综合二者，冷却作用相当。
图7 不同孔型液冷板作用下的模组温度分布(a)左上方-圆形孔液冷板；
(b)左上方-长圆形孔液冷板；
(c)左上方-椭圆形孔液冷板；
(d)正面-圆形孔液冷板；
(e)正面-长圆形孔液冷板；
(f)正面-椭圆形孔液冷板Fig.7 Module temperature distribution under the Action of liquid cooling plate with different orifice.(a) Top left-Circular hole liquid cooling plate；
(b) Top left t-liquid cooling plate with long circular hole；
(c) Top left-Oval hole liquid cooling plate；
(d) Front-circular hole liquid cooling plate；
(e) Front side-liquid cooling plate with long ircular hole；
(f) Front-Oval hole liquid cooling plate.
表3 不同孔型对应的电池组最大温升Table 3 Maximum temperature rise of battery pack corresponding to different hole types
3.2 液冷板布局方式对电池模组换热的影响
通过不同孔型液冷板冷却作用的对比研究得知，长圆形孔液冷板对高温模组的冷却效果较好，但模组的单体电芯之间温差按照标准二均温性要求仍大于5 ℃，尤其，模组中上部温升增幅较大，研究中，为了进一步提升冷却效果，解决模组中上部高温聚集情况，在模组底部的长圆形孔液冷板的基础上，模组中上部两侧增加长圆型孔液冷板，见图3,进一步研究模组的温度分布情况。
图8可以发现，在模组底部及两侧液冷板的作用下，电池模组内部的温度分布相比底部冷却方式大幅下降，且温度分布更为均匀，单体电芯之间的最大温差显著减小到3.9 ℃，完全满足均温性要求，说明底部和两侧冷却方式要明显优于单纯底部冷却。这是由于液冷板从底部和两侧方向及时的将模组产生的大部分热量吸收掉，避免了热量的堆积，尤其模组中上部发热量显著又远离液冷板，单纯底部冷却无法及时消除掉这部分热量，增加两侧较窄的小液冷板很好的吸收掉这部分热量，使得模组的整体温度分布显得更均匀。
图8 不同液冷板布局下的电池模组温度分布(a)左上方-底部及两侧液冷板；
(b)左上方-底部液冷板；
(c)正面-底部及两侧液冷板；
(d)正面-底部液冷板Fig.8 Temperature distribution of battery modules under different liquid cooling plate layouts.(a) Top left-Bottom and sides of liquid cooling plate；
(b) Top left-bottom liquid cooling plate；
(c) Front-bottom and side liquid cooling plates；
(d) Front-bottom liquid cooling plate.
底部及两侧液冷板将模组高温度区严格约束在模组底部及两侧之间的内部区域，沿电芯高度方向高温呈花瓶状分布。模组内部由于未与冷源直接接触且受冷却作用随着与液冷板直线距离增大而变弱，以致模组内部区域产生一定热量堆积现象。热量传递到模组顶部，而顶部靠自然对流换热强度较弱，因此，模组顶部也出现狭窄的高温度区域。
运用数值计算方法对液冷板作用下的模组温度分布进行了热特性研究。重点考察内部不同构造孔的液冷板以及液冷板布局方式对模组电芯的冷却情况。得到如下结论。
(1)在相同入口截面积及流量条件下，长圆形孔液冷板相比圆形孔液冷板和椭圆形液冷板，能够在冷却孔上方更大区域及时有效地吸收模组传递下来的热量，对模组电芯的冷却作用更均衡，圆形孔液冷板和椭圆形液冷板对模组的冷却作用相当。
(2)底部和两侧液冷板从模组的底部和两侧方向及时吸收掉模组工作产生的大量热量，避免了热量堆积，冷却作用优于单纯底部冷却方式。
猜你喜欢孔型液冷电芯Φ18mm热轧带肋钢筋三切分孔型优化及装备改进山东冶金(2022年4期)2022-09-14制动器液冷控制系统模糊控制策略汽车实用技术(2022年15期)2022-08-19星恒2系列电池介绍中国自行车(2022年3期)2022-06-30锂电池不同连接方式下的针刺测试探究电源技术(2022年2期)2022-03-03电池热失控防护方案仿真分析汽车工程师(2021年9期)2021-10-11航天服的液冷服有什么用？军事文摘·科学少年(2021年7期)2021-09-26航天服的液冷服有什么用？军事文摘(2021年14期)2021-08-16荣威混动e550高压电池组电芯压差过大汽车维修与保养(2020年11期)2020-06-09热轧棒材孔型设计探究中国金属通报(2020年14期)2020-04-22预防四切分K3掉肉孔型设计及操作简析商情(2017年38期)2017-11-28