隋增光1, 林昊晟1, 孫欽2, 董凱軍2, 耿曼3, 吳偉1
1. 香港城市大學 能源與環境學院,香港 999077
2. 中國科學院廣州能源研究所,廣州 510640
3. 廣州高瀾創新科技有限公司,廣州 510705
† 通信作者：吳 偉,E-mail：[email protected]
作者簡介：隋增光（1990-）,男,博士研究所學生,主要從事熱質交換器傳熱傳質理論研究。林昊晟（1996-）,男,博士研究所學生,主要從事儲能技術、吸附材料開發與應用、傳熱傳質理論研究。吳 偉（1988-）,男,博士,副教授,主要從事高效熱泵、新型工質、高密度儲能、熱管理、太陽能熱利用、零能耗建築等研究。# 該作者對論文有同等貢獻
收稿日期: 2023-11-07 修訂日期:2023-12-01
基金項目: 廣州開發區國際科技合作項目（2021GH07）
摘要
電池包作為電動汽車的動力源,其性能決定着電動汽車的安全與壽命,有效的熱管理系統對電池包的安全運作起到至關重要的作用。在數值傳熱學理論基礎上,建立電池包液冷系統熱-流-電模型,綜合分析電池包液冷闆在0.5 C和1.0 C工況下的流場與溫度場分布。結果表明：進出口處存在明顯的流動阻力,液冷闆進出口壓差高達11.82 kPa,導緻泵耗顯著增加;液冷闆溫度呈現明顯的不均勻性,放電倍率從0.5 C增加到1.0 C,溫度不均勻性由3.16β℃增加到5.57β℃。同時,還考慮了電池包在瞬态工況下的溫度變化。該研究可為電池包熱管理系統的設計與優化提供參考。
關鍵詞: 電池包; 液冷散熱器; 數值模拟; 熱管理
中圖分類号:TK0;TB6 文獻辨別碼:A 文章編号:2095-560X（2023）06-0499-07
Thermal Management Analysis of Lithium Battery Pack
SUI Zengguang1, LIN Haosheng1, SUN Qin2, DONG Kaijun2, GENG Man3, WU Wei1,†
1. School of Energy and Environment, City University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China
2. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China
3. Guangzhou Goaland Innovation Technologies Co. Ltd., Guangzhou 510705, China
Abstract
Battery pack is the power source of electric vehicles, and its performance determines the safety and lifespan of the electric vehicles. Effective thermal management systems play a vital role in the safe operation of battery packs. Based on the theory of numerical heat transfer, this work develops a thermal-flow-electrical coupling model of a battery pack liquid cooling system. It comprehensively analyzes the flow and temperature field distributions of the battery pack liquid cooling plate under 0.5 C and 1.0 C operating conditions. Results show obvious flow resistance at the inlet and outlet, causing the pressure difference between the inlet and outlet of the liquid cooling plate to be as high as 11.82 kPa, which significantly increases pump power.
The temperature distribution of the liquid cooling plate shows obvious non-uniformity, and the non-uniformity increases from 3.16 °C to 5.57 °C under steady-state operating conditions with the discharge rate increasing from 0.5 C to 1.0 C. In addition, this work also considers the temperature variation of the battery pack under transient conditions. This study can provide a reference for the optimization design of battery pack thermal management systems.
Key words: battery pack; liquid cooling radiator; numerical simulation; thermal management
文章圖檔
0 引言
在大陸“ 2030年碳達峰、2060年碳中和” 的低碳發展背景下, 新能源技術得到了迅速發展。其中, 新能源電動汽車的發展有效地解決了傳統汽車帶來的能源和環境問題。動力電池作為電動汽車的核心部件之一, 其性能很大程度上取決于工作溫度。過高的溫度會降低該類電池的性能, 嚴重時會導緻熱失控、爆炸等極端事故。是以如何確定電池在安全的溫度範圍内運作是一個亟待解決的問題[1]。
目前, 電池包不同的熱管理政策均得到了快速發展。其中, 液冷散熱技術因其優異的冷卻性能倍受行業的青睐。研究表明, 液冷闆的設計和部署方式對冷卻效率有着顯著影響[2, 3]。借助不斷發展的數值模拟工具, 國内外學者對冷卻闆的優化設計開展了大量的研究工作[4]。結果表明, 溫度不均勻性對電池包的安全運作和壽命具有顯著影響, 且當電池在較高電流下工作時, 這種不均勻性顯著增加。目前, 液冷系統的研究主要集中在通道幾何參數、冷卻闆結構、流體流動分布等方面。最近, 一些先進的結構設計也被提出, 例如葉狀通道、微通道和蛇形通道等, 為電池散熱研究提供了新的方向[5, 6, 7]。然而, 關于液冷散熱系統與電池組的流-熱-電耦合研究仍然存在局限性[8]。
本文利用數值模拟工具對某純電動汽車電池包的液冷散熱闆的性能進行綜合評估。首先, 利用Fluent軟體建立電池組和液冷闆的三維穩态模型, 分析其在0.5 C和1.0 C工況下液冷闆的流場和溫度場分布, 并讨論電池組内部的溫度分布情況。其次, 通過COMSOL軟體建立電池組内部的熱化學模型, 探究放電過程對溫度場的影響。本研究可為電池包散熱結構的優化設計提供參考。
1 數值研究
1.1 設計要求
如圖1所示, 研究的電池包主要包括一個液冷闆和兩個電池模組。每個電池模組由26個電芯組成, 電芯之間用導熱矽膠粘連以緩解接觸熱阻。電池模組被放置在冷卻闆上, 并用導熱矽膠粘連。根據表1給出的結構尺寸與設計參數, 建立該電池包的穩态和瞬态數值模型。
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 | 圖1 液冷散熱電池包3D結構Fig. 1 3D structure of liquid-cooled heat dissipation battery pack |
 | 表1 結構尺寸及設計參數Table 1 Structural dimensions and design parameters |
1.2 材料設定與邊界條件
以電池包在0.5 C和1.0 C運作工況下為例, 評估液冷闆的熱管理能力。針對給定的電芯發熱功率進行穩态分析。基于有限體積法的Fluent軟體已被證明能夠準确模拟該類問題。根據表1給定的設計參數, 冷卻液為50%乙二醇 + 50%水, 液冷闆進口給定流量和溫度分别為5 L/min和18β ℃。冷卻液在液冷闆通道内的流動屬于強制單相對流, 其相關控制方程（連續性方程、動量方程、能量方程）可參考Fluent理論手冊。出口設定為壓力出口邊界。為友善研究, 整個電池包外部壁面設定成對流換熱邊界, 液冷闆與上部蓋闆為鋁制材料, 電池模組上壁面與側壁面被設定成絕熱邊界。穩态模拟時, 假設電芯發熱功率與放電倍率呈線性關系, 即0.5 C對應的電芯發熱功率為12.5 W, 1.0 C對應的值為25 W, 其他邊界條件保持不變。詳細邊界條件見表2。
| | 表2 模型的邊界條件Table 2 Boundary conditions of the model |
在電池系統設計開發過程中, 對電芯性能的研究尤為重要。其中, 電芯實時産熱計算是電池熱管理設計非常重要的環節。是以, 除了根據給定的發熱功率進行穩态計算外, 還根據該電池組的工作及熱效應原理, 采用COMSOL Multiphysics軟體建立了該電池的電化學-熱-流耦合模型。
模型中, 使用該電池子產品的一維等溫模型來計算産熱, 定量分析不同倍率對電池包溫度場分布的影響。根據文獻[9], 電化學部分邊界條件設定如下：電解質由體積比為1∶ 2的乙烯碳酸脂∶ 碳酸二甲酯溶劑、2 mol/L LiPF6和偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[p(VDF-HFP)]組成; 負極材料為石墨材料, 正極材料為LiFePO4; 電解質、陰極和正極的厚度根據案例庫設定為52、100、174 μ m; 電極活性面積為16 m2。使用基于歐姆定律的電荷守恒來計算電子導電相中的電位, 其中電荷轉移反應作為源項或彙項。對于多孔電極的電解質相, 使用材料的電導率σ m和孔隙率ε 來分析有效電導率σ m, eff, 表達式如下[10]：
σm,eff=σmεγm,eff=m (1)
式中：γ 為Bruggeman系數, 取值3.3; 孔隙率ε 取值0.4。用相似的方法處理擴散系數。其餘參數設定根據COMSOL自帶材料庫預設設定。在熱模型中, 溫度通過非局部積分耦合設為活性電池材料的平均溫度。為了保證數值模拟的準确性和穩定性, 該電池的初始荷電狀态設為10%, 即1.0 C設定為250 A。方波函數用于設定0.5 C/1.0 C放電倍率時的充電/放電電流, 循環時間為14 400 s（0.5 C）/7 200 s（1.0 C）。瞬态模拟過程中的電池電勢和電流密度變化如圖2所示。其餘流動和傳熱邊界與穩态計算相同。
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| | 圖2 0.5 C（a）、1.0 C（b）工況下電池電勢和電流密度Fig. 2 Battery potential and current under 0.5 C (a) and 1.0 C (b) |
1.3 網格模型與求解
數值模拟結果的準确性極大程度取決于網格品質。由于液冷闆内流道的非規則性, 該模型采用非結構網格進行劃分。整個計算域由固體域和流體域組成（圖3）, 其中固體域由電芯、上部蓋闆、液冷闆、導熱矽膠組成, 流體域僅包括冷卻流體。由于固體域隻涉及簡單的導熱問題, 可采用較大的網格進行劃分。而流體域内流動與傳熱問題較為複雜, 其網格需進行局部加密處理。同時, 為了準确捕獲流-固交界面附近的流動與傳熱特征, 使用邊界層網格。
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| | 圖3 網格模型Fig. 3 Mesh model |
該電池包以冷卻流體在液冷闆内的流動實作對電芯的冷卻, 屬于強制單相對流換熱範疇。經初步計算, 冷卻液在液冷闆内屬于湍流流動, 本文穩态和瞬态模拟均采用标準的k-ε 模型進行模拟。壓力速度耦合采用Couple算法, 湍流和能量方程采用二階迎風格式離散。設定三個收斂标準, 即各方程的殘差小于1 × 10-6, 或冷卻液進出口溫差和壓降不再變化。為優化計算過程, 将進出口溫度和壓差作為監測量, 執行網格無關性分析。如表3所示, 通過對5組網格模型的計算, 采用12 300 100個網格單元。
| | 表3 網格無關性驗證Table 3 Grid independence verification |
1.4 電化學模型驗證
由于目前尚缺磷酸鐵锂280 Ah方形電芯的産熱實驗資料, 是以根據文獻β [11]β 的電芯放電電壓-容量曲線對電芯的電化學模型進行驗證。如圖4所示, 建立的電化學模型的放電電壓-容量曲線與實驗資料比較吻合。由于所有材料參數均為COMSOL材料庫經驗參數, 可以認為所建立的電化學模型能夠展現磷酸鐵锂280 Ah方形電芯的工作特性。
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| | 圖4 電化學模型驗證Fig. 4 Validation of electrochemical model |
2 結果與讨論
2.1 穩态分析
根據表1中的設計參數, 主要讨論兩種工況（0.5 C和1.0 C）下電池包内的溫度分布, 以及流體域内的速度和壓力分布。
2.1.1 溫度場分析
圖5給出了兩種工況下電池包的溫度雲圖。兩種工況下, 電池包進口側溫度明顯低于出口側溫度, 主要是由于冷卻液在進出口處的冷卻能力不一緻導緻的。當放電倍率分别為0.5 C、1.0 C時, 電池包的最高溫度分别為26.65β ℃、33.48β ℃。為了觀察電池包内部的溫度變化, 給出了其對應的剖面圖。結果顯示, 當放電倍率為0.5 C時, 54塊電芯的最大溫差為7.52β ℃。當放電倍率為1.0 C時, 由于電芯發熱功率增加, 而其他邊界條件保持不變, 電芯的最大溫差為13.40β ℃。兩種工況下電池包溫度均呈現不均勻分布, 且這種不均勻性随着功率增加而增加, 模拟結果與文獻結果一緻[12]。嚴重的溫度不均勻性會顯著降低電芯的性能, 可通過對流體域的優化設計降低溫度不均勻性。
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| | 圖5 0.5 C和1.0 C下電池包溫度雲圖對比Fig. 5 Comparison of battery pack temperature contours under 0.5 C and 1.0 C |
圖6詳細展示了液冷闆的溫度分布雲圖。由于流動方向和流動橫截面積的驟然變化, 兩種工況均出現了局部高溫現象。當放電倍率為0.5 C時, 液冷闆最高溫度為21.16 ℃, 最大溫差為3.16 ℃。當放電倍率為1.0 C時, 液冷闆最高溫度為23.57 ℃, 最大溫差為5.57 ℃。兩種工況下冷卻流體的溫度分布如圖7所示。由于回流的影響, 流域内出現了局部高溫區域。
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| | 圖6 0.5 C和1.0 C下液冷闆溫度雲圖對比Fig. 6 Comparison of liquid cooling plate temperature contours under 0.5 C and 1.0 C |
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| | 圖7 0.5 C和1.0 C下冷卻液溫度雲圖對比Fig. 7 Comparison of coolant temperature contours under 0.5 C and 1.0 C |
2.1.2 速度場分析
由于兩種工況下的邊界條件僅表現在電芯放電倍率不同, 即電芯的發熱功率不同。而溫度對單相液體的流場和壓力場幾乎沒有影響, 認為兩種工況下的流體域具有相同的速度場和壓力場。圖8展示了冷卻流體的流線圖和截面速度矢量圖。在進出口區域, 流體流速較大, 随着流體進入流動内部, 流動橫截面積增大, 流體流速降低。同時, 随着流動面積的突然增加, 冷卻液會産生回流。回流區域的流體流速較慢, 降低了該區域内流體的冷卻能力, 導緻該區域溫度較高（如圖7所示）。
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| | 圖8 流體域内冷卻液流線圖（a）與速度矢量雲圖（b）Fig. 8 Coolant streamlines (a) and velocity vector contour (b) |
2.1.3 壓力場分析
冷卻液在液冷闆内的壓力分布如圖9所示。流體域最大壓力為12.56 kPa, 最小壓降為 -3.20 kPa, 導緻該流體域内出現了回流。通過對表4中7個截面處壓力值的分析可以發現, 進出口壓降為11.82 kPa。流道内部壓力變化均勻, 壓力損失主要集中在進出口處。
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| | 圖9 流體域内冷卻液壓力雲圖Fig. 9 Coolant pressure contour in the fluid domain |
| | 表4 不同截面的壓力Table 4 Pressure at different sections |
2.2 瞬态分析
由于溫度對單相液體的流場和壓力場幾乎沒有影響, 且流動邊界條件并未發生改變, 是以穩态和瞬态計算下的流體域具有相同的速度場和壓力場。是以本節不再贅述流體域内的速度和壓力分布。根據表1中的設計要求, 着重讨論兩種工況（0.5 C和1.0 C）下電池包内的發熱功率和電池溫度随時間的變化特性。
如圖10所示, 電池發熱功率在充放電過程中存在差異。在0.5 C工況下, 充電時最大發熱功率約為3 kW/m3, 而放電時最大功率為4.93 kW/m3; 在1.0 C工況下, 充電時最大發熱功率約為14 kW/m3, 而放電時最大功率為17.5 kW/m3。結果表明, 電池組在放電工況下能達到最大發熱功率。發熱功率在充電階段增加率相比放電階段更快; 發熱功率在放電初期一直保持在較低水準。
綜上可知, 電池組溫度在充電過程比放電過程上升更快。且對比給定的穩态發熱功率（0.5 C時發熱功率為12.5 W/電池, 約4.85 kW/m3）, 瞬态模拟中的發熱功率在0.5 C工況下略低, 而在1.0 C工況下略高。由圖10還可以看出, 由于電池難以達到熱穩态（在溫度未平衡時即充/放電完畢）, 是以電池溫度在大部分時間比穩态計算時更低。對于0.5 C工況, 最高溫度為22.32β ℃, 平均溫度最大僅為21.54β ℃; 對于1.0 C工況, 由于發熱功率更高, 電池溫度比穩态計算略高, 最高溫度在放電過程短時間内達到了35.17β ℃, 平均溫度最高為30.67β ℃。
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| | 圖10 0.5 C（a）和1.0 C（b）下電池最高溫度、電池平均溫度和發熱功率對比Fig. 10 Comparison of the maximum battery temperature, average battery temperature and heating power under 0.5 C (a) and 1.0 C (b) |
圖11展示了兩種工況下電芯最高溫度時刻的溫度分布雲圖。當放電倍率為0.5 C時, 54塊電芯在7 200 s時達到最高溫度, 為22.32β ℃, 最大溫差為2.91β ℃。當放電倍率增加到1.0 C時, 由于電芯發熱功率增加而其他邊界條件保持不變, 電芯在7 200 s時達到最高溫度35.17β ℃, 最大溫差為10.25β ℃。
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| | 圖11 0.5 C和1.0 C下電池包最高溫度時刻溫度雲圖對比Fig. 11 Comparison of temperature contours at the highest temperature moment of the battery pack under 0.5 C and 1.0 C |
圖12展示了液冷闆的最高溫度随時間的變化情況。當放電倍率為0.5 C時, 液冷闆最高溫度為19.91β ℃, 最大溫差為1.91β ℃。當放電倍率為1.0 C時, 液冷闆最高溫度為27.48β ℃, 最大溫差為9.48β ℃。
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| | 圖12 0.5 C（a）和1.0 C（b）下液冷闆最高溫度對比Fig. 12 Comparison of the maximum temperature of the liquid cooling plate under 0.5 C (a) and 1.0 C (b) |
3 結論
利用數值模拟軟體建立了某磷酸鐵锂電池組的熱-流-電模型, 并對其進行了穩态和瞬态分析。結果顯示, 冷卻液進出口壓差達到11.82 kPa, 壓力損失主要集中在液冷闆進出口處, 且冷卻液存在明顯的回流現象。與此同時, 電芯溫度顯示出明顯的不均勻性, 随着放電倍率的增加, 這種不均勻性進一步增強。為了確定電池的穩定工作, 優化液冷闆時應綜合考慮流動壓降和溫度均勻性。
參考文獻
文獻選項
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