基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究_杜巍.pdf

基于液冷的锂离子电池组热均衡性研究杜巍，顾磊，张震（北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081）摘 要：为了改善车用锂电池模组在高温高倍率工况下的热均衡性，根据圆柱形锂电池的传热特性，建立了18650 锂电池单体的三维热模型，并完成 40 C 环境自然对流下的热特性仿真，并通过温升试验验证了生热模型的可靠性.在此基础之上，针对某型纯电动汽车的动力电池组，提出了一种夹套式电池模组冷却系统，利用 Fluent 研究了 40 C 环境下冷却液流量、冷却液温度和放电倍率对电池组散热均衡性的影响.结果表明：增加冷却液流量可以有效降低电池组最高温度、最大温差及电池自身温差，改善电池间的温度均匀性；但当入口流量增至 0.03 kg/s后，对电池组散热性能的改善效果十分有限；降低冷却液温度后，电池组最高温度下降，但电池组最大温差与单体电池间温差不断上升，单体电池自身最大温差略有降低；当放电倍率增大时，电池组最高温度与最大温差均不断上升，单体电池间温差以及电池自身温差显著增大，电池组热均衡性变差.关键词：锂电池；液冷系统；热特性仿真；热均衡性；最大温差中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：1001-0645(2023)03-0289-08DOI：10.15918/j.tbit1001-0645.2022.074Study on Thermal Equilibrium of Lithium-Ion Battery Pack withLiquid CoolingDU Wei，GU Lei，ZHANG Zhen（School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China）Abstract：In order to improve the thermal equilibrium of automotive Lithium battery module at high temperat-ure and high rate,according to the heat transfer characteristics of the cylindrical Lithium battery,a three-dimen-sional thermal model of the 18650 Lithium battery cell was established,and the thermal characteristics simula-tion was carried out under natural convection at 40 C.Finally,the reliability of heat generation model was veri-fied in a temperature rise test.On this basis,a jacketed battery module cooling system was proposed for thepower battery pack of a certain type of pure electric vehicle.Fluent software was used to study the influence ofcoolant flow,coolant temperature and discharge ratio on the heat dissipation equilibrium of battery pack at 40.The results show that increasing the coolant flow rate can effectively reduce the maximum temperature and tem-perature difference of the battery pack and the temperature difference of the battery itself,and improve the tem-perature uniformity between single cells.But when the inlet flow is increased up to 0.03 kg/s,the improvementeffect is very limited.When the coolant temperature is reduced,the maximum temperature of the battery pack de-creases,but the maximum temperature difference of the whole battery pack and the temperature differencebetween individual batteries rise continuously,and the maximum temperature difference between the single cellsdecreases slightly.When the discharge rate increases,the maximum temperature and the maximum temperaturedifference of the battery pack continue to rise,the temperature difference between the single cells and the tem-perature difference of the battery itself increases significantly,and the thermal balance of the battery pack be-comes worse.收稿日期：2022 03 25作者简介：杜巍（1974）男，博士，副教授，E-mail：.通信作者：顾磊（1997）男，硕士生，E-mail：.第 43 卷第 3 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.43No.32023 年 3 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMar.2023Key words：lithium battery；liquid-cooled system；thermal simulation；thermal equilibrium；maximum temperat-ure difference 随着能源危机和环境恶化的日益严重，近年来新能源汽车产业迅猛发展，而锂离子电池因具有较高的能量密度和转换效率，逐渐成为电动汽车的理想动力源.锂离子电池的最佳工作温度区间为 2040 C，放电过程中电池组整体的理想温差应在 5 C以内1，而电池组在实际工作时会受到行驶工况、环境温度等因素的影响，尤其是在夏季，我国南北普遍高温，经常持续出现 35 C 以上的高温天气，当车辆在这样的高温环境下行驶时，电池温度可能会超出其最佳工作范围，电池组热均衡性也会变差，而过高的电池温度会引发热失控、起火等安全事故2 3，同时，单体电池间以及单体电池自身的温度不均匀性都会导致电池电化学特性的差异，长期循环使用后，电池组的使用性能与安全性将变差4 5，所以高效的热管理系统显得尤为重要.目前，车用锂电池模组热管理方式主要包括空气冷却、液体冷却和相变材料冷却（phase change ma-terial,PCM）6.随着电动汽车性能的提升，风冷技术难以满足发展需求，无法保证高倍率放电时电池组整体的热均衡性，而 PCM 等新型冷却技术虽然能对电池组进行有效散热，但由于结构复杂及成本限制，应用相对较少.相比之下，液冷技术由于比热容大，传热系数高，成本低且具有较高的散热效率，正被越来越多的汽车厂商所采用.104RAO 等7提出了一种圆柱形可变接触面动力电池模块液冷系统，可以通过调整铝块长度改变其与电池的接触面积，铝块内部设有冷却水腔，通过 Flu-ent 软件研究了接触面积和冷却液流量对电池组散热性能的影响，结果表明，变接触面液冷系统具有较好的冷却性能，可以显著提高电池组的热均衡性.ZHAO 等8针对 42110 型锂电池提出了一种微通道液冷夹套，研究了流道数、入口流量和流动方向对单体电池散热性能的影响，结果表明，当流道数大于 4、入口流量为 1 kg/s 时，电池最高温度可以控制在 40 C 以内，且只有当流道数大于 8 时，在降低电池组温差方面才更具有优势.ZHOU 等9提出了一种半螺旋导管冷却模型，分析了电池组在 5C 放电倍率下入口流量、螺旋导管螺距、直径和数量、冷却液流向对散热性能的影响，结果表明，最大温度和温差随着入口流量的增加而减小，当螺旋导管的螺距和数104量在 3 kg/s 的最佳入口流量下改变时，冷却性能没有明显改善.崔星等10针对 18650 锂离子电池组设计了管道式液冷系统，使用 Fluent 软件研究了排列方式、几何模型和放电倍率对电池组热均衡性的影响，研究表明，相同冷却条件下，错位排列的电池组具有更好的温均性.干年妃等11针对 18650 电池模组设计了一种在铝柱式液冷系统，并利用 COM-SOL 软件对其进行仿真研究，分析了入口流速、铝柱截面边长和高度对电池组温度一致性的影响，最后确定了最优的边长与高度组合以改善模组的散热性能.上述研究多集中于串联型管式液流冷却系统，且冷却管路与电池表面为局部接触，散热面积较小，单体电池自身温度均匀性较差，同时，由于冷却液为串联式流动，前端区域电池的散热性较好，但随着冷却液的深入流动和热量的积累，冷却液温度逐渐升高，对后端区域电池的散热性能逐渐变差，导致单体电池间温差增大，整个电池组热均衡性较差.文中以新型夹套式动力电池组液冷系统为研究对象，重点针对 40 C 高温环境下电池组的散热性能，通过仿真分析了电池组在不同的冷却液流量、冷却液温度和放电倍率下的热均衡性，为改善动力电池组在高温高倍率工况下工作时的散热性能提供了参考.1 电池模组液冷结构设计如图 1（a）所示为夹套式电池模组冷却系统结构图，该系统主要由分流模块、集流模块、冷却夹套、密封垫片和动力电池构成，其中，分流模块包括分流槽、下盖板和下密封垫圈，集流模块包括集流槽、上盖板和上密封垫圈，冷却夹套与分流槽、集流槽的接触面设有密封垫片.冷却夹套结构如图 1（b）所示，夹套侧壁设有沿圆周方向分布的环形冷却夹层，内壁附有绝缘-导热硅胶衬套以强化换热，增强碰撞稳定性，电池单体被固定于冷却夹套内，为减小系统重量，液冷结构均为铝制.在这套液冷系统中，冷却液从底部入口流入分流模块，呈并联式均匀流向各冷却夹套，带走电池所产生的热量，最后从顶部集流模块出口流出，实现对整个电池组的冷却.文中以某型纯电动汽车动力电池模组为对象展开研究，该电池组由 96 个模组串联组成，而每个模290北 京 理 工 大 学 学 报第 43 卷组又由 64 节电池并联组成，整个电池包共有 6 144 节18650 三元锂电池，额定电压 355.2 V，容量为 192 Ah，由于计算资源有限，很难对整个电池组进行仿真计算，所以在保证准确模拟电池组温度场的基础上，文中选取 64 节电池单体作为一个模组进行仿真计算.2 数值模型与仿真验证 2.1 锂电池三维热模型建立文中研究对象为某公司生产的 18 650 三元锂电池，额定容量 3 000 m Ah，充电终止电压 4.2 V，直径18 mm，高度 65 mm.由于锂电池内部为卷绕式结构，准确地对每层材料进行建模分析较为困难，电池实际工作过程中所发生的物理反应和化学反应也比较复杂，所以对电池单体进行了简化处理，将其看作均质圆柱体，内部发热均匀，比热容、密度与各向导热系数均为定值，忽略电解液流动与外部辐射的影响，