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摘要：針對(duì)圓柱動(dòng)力電池的散熱特點(diǎn)，建立一種基于微小通道波形扁管的液冷電池模組.采用電化學(xué)熱模型對(duì)該模組的散熱特性進(jìn)行三維瞬態(tài)分析，通過(guò)改變波形扁管的通道數(shù)和接觸角對(duì)液冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.10通道的波形扁管散熱優(yōu)勢(shì)明顯，增大波形扁管的接觸角可以提升液冷結(jié)構(gòu)的散熱效率并改善電池組溫度分布均勻性.當(dāng)電池模組在35°C環(huán)境下以1C倍率放電時(shí)，即使質(zhì)量流量低至4×10−3kg/s，使用接觸角大于40°的10通道波形扁管可將電池組表面最高溫度控制在40°C以下，同時(shí)將溫差控制在5°C以內(nèi).在優(yōu)化工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證該電池模組的換熱性能.仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致，這驗(yàn)證了微小通道波形扁管的散熱有效性；仿真結(jié)果可為圓柱動(dòng)力電池的熱管理提供參考.

關(guān)鍵詞：圓柱動(dòng)力電池；微小通道波形扁管；液冷；瞬態(tài)模擬；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

純電動(dòng)汽車是汽車節(jié)能環(huán)保的主要發(fā)展方向之一[1]，動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車唯一的儲(chǔ)能裝置，其性能優(yōu)劣直接決定整車性能、安全及壽命等[2].鋰離子電池因具有能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，成為目前純電動(dòng)汽車的最主要?jiǎng)恿ρb置[3-4].鋰離子電池的使用性能及壽命與自身溫度有直接的關(guān)系，溫度過(guò)低會(huì)導(dǎo)致電池性能下降[5]，過(guò)高則可能引發(fā)起火、爆炸等安全事故[6]，而且，較大的溫差會(huì)降低電池一致性[7]，大量電池并聯(lián)或串聯(lián)會(huì)使上述情況更加惡化[8].合理的電池組結(jié)構(gòu)及熱管理系統(tǒng)能使電池組在最佳溫度范圍內(nèi)工作，實(shí)現(xiàn)電池組溫度分布的均勻性，并有效防止熱失控導(dǎo)致的安全隱患[9].通常來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車用鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將電池的工作溫度保持在25~40°C，且電池間溫差始終不超過(guò)5°C[10-11].電池?zé)峁芾矸绞桨凑諅鳠峤橘|(zhì)可分為強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷、相變材料（phasechangematerial，PCM）冷卻、熱管冷卻等.Liu等[9]對(duì)比了風(fēng)冷、液冷和PCM冷卻的換熱效果，結(jié)果表明：在冷卻效率上，液冷高于PCM冷卻，風(fēng)冷效率最低；在動(dòng)力電池組溫差上，液冷稍遜于PCM冷卻，風(fēng)冷電池組最大.Chen等[12]對(duì)比了采用風(fēng)冷、直接液冷、間接液冷和翅片冷卻的軟包電池的溫升和溫度均勻性，結(jié)果表明：為使電池組維持相同的溫度，液冷方式耗能不足風(fēng)冷的二分之一；間接液冷較直接液冷更具可操作性.可見，液冷方式將仍是未來(lái)動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯亢蛻?yīng)用的熱點(diǎn).動(dòng)力電池按單體電芯形狀主要有方形和圓柱形，兩者的液冷結(jié)構(gòu)有所不同.方形電池主要采用帶有內(nèi)流通道的液冷板與電池表面緊密貼合進(jìn)行換熱，流道形狀通常有蛇形、U形、平行一字形等[15-17].針對(duì)圓柱電池，Pendergast等[18]將18650型圓柱電池組浸沒(méi)在水中進(jìn)行冷卻，但浸沒(méi)液冷方式尚未應(yīng)用于電池?zé)峁芾恚籞hao等[19]在42110型圓柱電池周圍布置包含若干個(gè)平行微小通道的液冷缸，并研究了通道數(shù)、質(zhì)量流量、流動(dòng)方向和入口尺寸對(duì)液冷缸散熱性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)質(zhì)量流量為1×10−3kg/s時(shí)，四通道液冷缸能將電池組溫度控制在40°C以下，但僅通過(guò)增加質(zhì)量流量很難將電池組溫差控制在5°C以內(nèi)；Basu等[20-21]分別采用設(shè)有冷卻液流道的導(dǎo)熱元件包裹圓柱電池側(cè)面，熱量由電池表面?zhèn)鲗?dǎo)至導(dǎo)熱元件，再由冷卻液帶走.圓柱動(dòng)力電池已廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)乘用車，而關(guān)于圓柱動(dòng)力電池液冷熱管理的研究大多圍繞提升換熱效率、改善電池組溫度均勻性和降低電池組溫度波動(dòng)進(jìn)行.目前雖有電動(dòng)汽車廠商將波形扁管應(yīng)用于圓柱動(dòng)力電池組的液冷熱管理[22]，但鮮見關(guān)于此類液冷結(jié)構(gòu)的詳細(xì)研究報(bào)道.因此，本文針對(duì)某款使用18650型鋰離子動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)一種采用微小通道波形扁管的液冷電池模組.仿真分析該液冷結(jié)構(gòu)在高溫工況下對(duì)電池組散熱的性能，通過(guò)改變波形扁管的通道數(shù)和接觸角對(duì)液冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性.

1液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示為本研究基于某純電動(dòng)汽車提出的18650型鋰離子電池模組的結(jié)構(gòu).模組內(nèi)每32顆18650型電芯并聯(lián)構(gòu)成1個(gè)電芯模塊，相鄰的電芯模塊倒置以便于正、負(fù)極柱的電連接，每8個(gè)電芯模塊串聯(lián)成1個(gè)電池模組，每個(gè)模組包含256顆電池，模組內(nèi)有1根微小通道波形扁管穿插于電池間，扁管側(cè)面與每個(gè)18650型電池的圓柱面均緊密接觸.如圖2所示，該波形扁管外形呈M狀，管內(nèi)有若干個(gè)沿寬度方向均布的平行流道，流道數(shù)越多，其與電芯的貼合度越高.波形扁管在與電芯的接觸處適當(dāng)彎曲，形成接觸角，從而保證與電池具有一定的換熱面積.圖中，Δ為扁管壁厚，l為流道寬度，d為流道高度，α為扁管與電芯的接觸角，A0為扁管與電芯的接觸面積，rb為電池半徑.液冷工質(zhì)通過(guò)波形扁管對(duì)電池進(jìn)行冷卻，單根扁管可冷卻8列電池.

2數(shù)值計(jì)算方法

2.1電池生熱及傳熱模型Bernardi等[23]提出了單體電芯生熱率的計(jì)算模型，其簡(jiǎn)化形式[24]為式中：I、Eoc和E分別為電芯的電流、開路電壓和端電壓，Tb為電芯溫度，Vb為電芯體積.對(duì)于LiMn2O4和LiFePO4電池，很多研究將忽略，并用IR代替（Eoc−E），其中R為電芯內(nèi)阻，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)在一系列SOC下獲得其平均值[25-26].針對(duì)圓柱電池，考慮導(dǎo)熱系數(shù)各向異性的三維熱傳導(dǎo)方程[27]為式中：ρ為密度，c為比熱容，k為導(dǎo)熱系數(shù)，下標(biāo)b表示電池，r、φ、z分別表示徑向、周向和軸向坐標(biāo)，τ為放電時(shí)間.單體電芯、波形扁管和液冷工質(zhì)的熱物性參數(shù)如表1所示.表中，μ為動(dòng)力黏度.

2.2邊界條件和網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試使用Fluent14.5軟件對(duì)高溫工況下電池組散熱進(jìn)行瞬態(tài)模擬，使用用戶自定義程序（userdefinedfunctions，UDF）定義電芯熱源和進(jìn)口液冷工質(zhì)溫度.模擬的假設(shè)和邊界條件如下：計(jì)算采用層流模型，進(jìn)、出口分別設(shè)為質(zhì)量流量入口和壓力出口；工質(zhì)流動(dòng)表面無(wú)滑移，不考慮剪切應(yīng)力，流固界面設(shè)為耦合面，固固界面的接觸熱阻設(shè)為0.0025m2•K/W[20]；電池和波形扁管暴露在空氣的部分視為自然對(duì)流換熱，表面換熱系數(shù)設(shè)為5W/（m2•K）[28-29]；流動(dòng)和能量計(jì)算采用二階精度，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1s，單位時(shí)間步長(zhǎng)迭代30次，連續(xù)性和能量方程收斂殘差分別設(shè)為10−6和10−12.將電池單體簡(jiǎn)化為直徑為18mm、高為65mm的圓柱，計(jì)算區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并對(duì)附面層附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，得到7種不同網(wǎng)格數(shù)（N）的網(wǎng)格模型.以電池組表面最高溫度（θmax）的計(jì)算結(jié)果作為評(píng)估網(wǎng)格密度的依據(jù)，結(jié)果如圖3所示.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)大于5.99×106時(shí)，θmax的變化不明顯（不超過(guò)0.1°C），因此選用網(wǎng)格數(shù)不低于5.99×106的網(wǎng)格模型.研究采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格生成技術(shù)，并對(duì)邊界層附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密.

3液冷系統(tǒng)散熱特性仿真及實(shí)驗(yàn)

微小通道波形扁管的換熱性能受其通道數(shù)n和接觸角α等結(jié)構(gòu)參數(shù)和管內(nèi)工質(zhì)流量等的影響.由于工質(zhì)流量對(duì)散熱性能的影響可由定性分析得到[19-21]，僅選取不同通道數(shù)（n=6、8、10、12、14）和不同接觸角（α=20°、30°、40°、50°、60°）的波形扁管，通過(guò)仿真分析微小通道波形扁管在高溫工況下的散熱性能，并將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.

3.1液冷系統(tǒng)散熱模擬對(duì)電池組在1C放電條件下的溫度變化進(jìn)行瞬態(tài)分析，截止荷電狀態(tài)（stateofcharge，SOC）設(shè)為0.9，環(huán)境溫度和進(jìn)口液冷工質(zhì)的初始溫度均為35°C，質(zhì)量流量為4×10−3kg/s，監(jiān)控電池組表面的最高溫度θmax和電池組的溫差Δθ.如圖4所示為采用具有不同通道數(shù)的波形扁管冷卻電池組時(shí)的溫度演化.圖中，Δp為波形扁管進(jìn)出口壓降，t為冷卻時(shí)間.由圖4（a）可以看出，自然對(duì)流條件下，電池組以1C倍率放電時(shí)，僅用865s，θmax即突破40°C，放電結(jié)束時(shí)，θmax上升11.08°C，達(dá)到46.08°C；采用該波形扁管冷卻后，盡管θmax仍逐漸升高，但上升的速度明顯降低.圖4（a）還表明，θmax的增速總體呈放緩趨勢(shì)，且采用10通道波形扁管進(jìn)行散熱時(shí)，電池組的θmax上升得最慢.當(dāng)n從6增加到10時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的θmax從41.14°C降到39.27°C，當(dāng)n從10增加到14時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的θmax上升到40.69°C.這是因?yàn)樵谄渌麠l件相同的情況下，通道數(shù)增加意味著波形扁管換熱面積的增大，這會(huì)提升電池向扁管的導(dǎo)熱能力，以及液冷工質(zhì)與扁管的對(duì)流換熱能力；然而，過(guò)度增加通道數(shù)會(huì)增大液冷工質(zhì)的流動(dòng)截面積，使液冷工質(zhì)的流速降低，反而削弱了液冷工質(zhì)與扁管的對(duì)流換熱.由圖4（b）可以看出，放電過(guò)程中Δθ也逐漸升高，這是液冷工質(zhì)沿流動(dòng)方向不斷吸熱，縮小了與下游電池間的溫差，散熱效果逐漸變差導(dǎo)致的.采用10通道波形扁管進(jìn)行散熱時(shí)，電池組的Δθ上升得最慢，當(dāng)n從6增加到10時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的Δθ從5.85°C降到4.12°C；當(dāng)n從10增加到14時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的Δθ上升到5.52°C，這是因?yàn)?0通道的波形扁管的換熱能力更強(qiáng)，在快速抑制上游電池溫升的同時(shí)，對(duì)下游電池的溫升仍有更強(qiáng)的抑制能力.在上述模擬條件下，當(dāng)n=10和12時(shí)，可同時(shí)將電池組的θmax和Δθ分別控制在40°C和5°C以下.鑒于n越大，波形扁管的成本越高，且圖4（b）表明，當(dāng)n=10和12時(shí)，波形扁管進(jìn)出口壓降相差不大，故選擇10通道的波形扁管.如圖5所示為采用具有不同接觸角的10通道波形扁管冷卻電池組時(shí)的溫度演化.由圖5（a）可以看出，隨著α的增大，θmax上升得越來(lái)越慢，放電結(jié)束時(shí)的也越來(lái)越小.當(dāng)α=20°時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的θmax為40.61°C；當(dāng)α=30°、40°、50°和60°時(shí)，相應(yīng)的θmax分別降至40.19、39.85、39.55和39.27°C.這是因?yàn)椋谄渌麠l件相同的情況下，隨著α的增大，電池與波形扁管以及波形扁管與液冷工質(zhì)的換熱面積均增大，電池向波形扁管導(dǎo)熱的能力以及液冷工質(zhì)與波形扁管對(duì)流換熱的能力均增強(qiáng)，故擁有更大接觸角的波形扁管能更有效地抑制電池組的溫升.圖5（b）顯示放電過(guò)程中的Δθ也逐漸升高，這同樣是液冷工質(zhì)的散熱效果沿流動(dòng)方向逐漸變差導(dǎo)致的.但由圖5（b）可以看出，隨著α的增大，Δθ上升得越來(lái)越慢.當(dāng)α=20°時(shí)，放電結(jié)束時(shí)的Δθ=5.29°C；當(dāng)α=30°、40°、50°和60°時(shí)，相應(yīng)的Δθ分別降至4.94、4.64、4.38和4.12°C.原因在于，擁有更大接觸角的波形扁管具有更強(qiáng)的換熱能力，在上游電池的溫升被快速抑制的同時(shí)，下游電池的溫升也受到更有效的抑制.在上述模擬條件下，將波形扁管與電池的接觸角從20°增大到60°，可以顯著降低電池組表面的最高溫度，同時(shí)優(yōu)化電池組內(nèi)的溫度一致性；接觸角大于40°的波形扁管可同時(shí)將θmax和Δθ控制在40°C和5°C以內(nèi).且由圖5（b）可知，α的增大未造成波形扁管進(jìn)出口壓降的明顯增加，為快速抑制電池組的溫升并減小電池組的溫差，波形扁管的接觸角選擇60°.值得注意的是，在相同時(shí)間內(nèi)，換熱能力更強(qiáng)的波形扁管內(nèi)的液冷工質(zhì)會(huì)從電池吸收更多的熱量而溫升更高，這會(huì)導(dǎo)致越下游的液冷工質(zhì)與電池間的溫差越小，反而在一定程度上削弱下游的換熱效率.當(dāng)接觸角從20°增大到60°時(shí)，每增大10°，放電結(jié)束時(shí)的θmax依次下降0.42、0.34、0.3和0.28°C，同時(shí)Δθ依次下降0.35、0.30、0.26和0.26°C.也就是說(shuō)，增大接觸角可以提升液冷系統(tǒng)的散熱效率，但提升得越來(lái)越不明顯.當(dāng)通道數(shù)從6增加到10時(shí)，每增加2通道，放電結(jié)束時(shí)的θmax依次下降1.14和0.63°C，同時(shí)Δθ依次下降1.11和0.62°C，也表明液冷系統(tǒng)的散熱效果提升得越來(lái)越慢.此外，θmax和Δθ的降幅基本一致，表明吸熱更多的上游工質(zhì)對(duì)下游換熱能力的削弱是造成模組內(nèi)溫差降幅變慢的主要原因.

3.2仿真優(yōu)化結(jié)果仿真結(jié)果顯示，在4×10−3kg/s的質(zhì)量流量下，采用接觸角大于40°的10通道波形扁管，能同時(shí)將電池組的θmax和Δθ分別控制在40°C和5°C以下.如圖6所示為采用60°接觸角、10通道的波形扁管對(duì)電池組進(jìn)行散熱時(shí)，5個(gè)被監(jiān)控電池的軸面溫度分布，其中被監(jiān)控電池的位置編號(hào)如圖7所示.由圖6可以看出，進(jìn)口附近電池的散熱效果最好，電池溫度最低，沿液冷工質(zhì)流動(dòng)方向散熱效果逐漸變差，電池溫度逐漸升高，電池組的最高溫度出現(xiàn)在電池5中.在任一單體電池內(nèi)部，最高溫度總是出現(xiàn)在靠近電極的地方，而電池中部與波形扁管緊貼的部分溫度最低，最大差異小于0.5°C.3.3液冷系統(tǒng)散熱實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果，對(duì)優(yōu)化后的液冷系統(tǒng)的熱性能進(jìn)行測(cè)試.采用新威CT-9008電池充放電儀進(jìn)行電池組放電，通過(guò)Agilent34970A數(shù)據(jù)采集器上連接的多個(gè)T型熱電偶采集電池溫度，熱電偶緊貼在圓柱電池外壁靠近正極的位置，貼熱電偶的電池及熱電偶的位置如圖7所示.實(shí)驗(yàn)前先將電池組及液冷裝置置于35°C恒溫箱內(nèi)至少4h，對(duì)電池組進(jìn)行1C放電的同時(shí)開啟液冷裝置，并采集各測(cè)點(diǎn)溫度變化情況.其中波形扁管的質(zhì)量流量為4×10−3kg/s，進(jìn)口液冷工質(zhì)的初始溫度和環(huán)境溫度相同.如圖8所示，在放電過(guò)程中，被監(jiān)控電池溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體上比仿真結(jié)果偏小，且兩者的絕對(duì)誤差有增大的趨勢(shì)，但最大絕對(duì)誤差僅為0.37°C，出現(xiàn)在電池2上；除電池1外，其他被監(jiān)控電池的絕對(duì)誤差大致相同；被監(jiān)控電池溫升的最大相對(duì)誤差δ不超過(guò)14.25%，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，因此上述結(jié)構(gòu)參數(shù)和操作條件的優(yōu)化分析是式中：θsim和θexp分別為仿真所得的和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的被監(jiān)控電池的溫度.

4結(jié)論

（1）自然對(duì)流條件下，電池組以1C倍率放電時(shí)，電池表面最高溫度僅用865s即突破40°C；采用微小通道波形扁管散熱后，通過(guò)與18650電池側(cè)面緊密接觸實(shí)現(xiàn)換熱，有效降低了電池組的溫升速率，明顯改善了電池組的換熱條件（2）在本研究范圍內(nèi)，通道數(shù)為10的波形扁管散熱效果最好；增大波形扁管接觸角可以提升液冷結(jié)構(gòu)的散熱效率并改善電池組溫度分布均勻性，但散熱效率提升得越來(lái)越緩慢，且吸熱更多的上游液冷工質(zhì)對(duì)下游換熱能力的削弱是造成模組內(nèi)溫差過(guò)大的主要原因.（3）結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的微小通道波形扁管具有良好的換熱性能.當(dāng)質(zhì)量流量為4×10−3kg/s時(shí)，采用接觸角大于40°的10通道波形扁管能將35°C環(huán)境下以1C倍率放電的電池組的溫度控制在40°C以下，且將溫差控制在5°C以內(nèi).（4）基于微小通道波形扁管的液冷熱管理電池模組結(jié)構(gòu)能夠滿足電池組熱管理的要求，且結(jié)構(gòu)緊湊，有利于圓柱動(dòng)力電池模組標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)際應(yīng)用.

作者：閔小滕 唐志國(guó) 高欽 宋安琪 王守成 單位：合肥工業(yè)大學(xué)