锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析_刘霏霏.pdf

第 卷第 期重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）年 月 （）：锂电池模组液冷复合散热结构设计及性能分析刘霏霏，淦述龙，郝三强，秦 武，李 骏（华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌，；建新赵氏科技有限公司，浙江 宁海）摘要:针对动力电池高温下导致的寿命降低及热安全等问题,以某方形锂电池为研究对象,在电池单体模型验证的基础上,设计了S型和回型两种电池模组液冷散热结构,同时在模组内单体之间夹隔导热垫片,形成液冷-导热垫复合散热。模拟了基于复合散热的电池模组温升特性,对比分析在2C倍率放电时液体温度、速度和压强对电池模组散热性能的影响。结果表明:在相同放电倍率下,相比于S型,回型液冷通道内进出口液体温差可增加2 3.5%,通道内流速变化不超过0.1m/s。由于回型通道转弯少、沿程压力损失小,进出口液体最大压差可减少34 6 8P a;3种影响因素作用下,回型相较于S型液冷散热,可使电池模组最大温差降低1 3.2%。关 键 词:车辆工程;锂离子电池;热管理;液冷;优化设计;性能分析中图分类号:U 4 6 9.7 2文献标志码:A文章编号:1 6 7 4-0 6 9 6(2 0 2 3)0 1-1 3 7-0 8D e s i g na n dP e r f o r m a n c eA n a l y s i so fL i q u i d-C o o l e dC o m p o s i t eC o o l i n gS t r u c t u r eo fL i t h i u mB a t t e r yM o d u l eL I UF e i f e i1,GANS h u l o n g1,HAOS a n q i a n g2,Q I N Wu1,2,L I J u n1(1.S c h o o l o fM e c h a t r o n i c s&V e h i c l eE n g i n e e r i n g,E a s tC h i n aJ i a o t o n gU n i v e r s i t y,N a n c h a n g3 3 0 0 1 3,J i a n g x i,C h i n a;2.J i a n x i nZ h a o sT e c h n o l o g yC o.,L t d.,N i n g h a i 3 1 5 6 0 0,Z h e j i a n g,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fb a t t e r yl i f er e d u c t i o na n dt h e r m a ls a f e t yc a u s e db yt h eh i g ht e m p e r a t u r eo fp o w e rb a t t e r y,as q u a r el i t h i u m-i o nb a t t e r yw a st a k e na st h er e s e a r c ho b j e c t.B a s e do nt h em o d e lv e r i f i c a t i o no fb a t t e r yc e l l,t w ol i q u i d-c o o l i n gs t r u c t u r e so fb a t t e r y m o d u l e,i.e.S-t y p ea n dl o o p-t y p ew e r ed e s i g n e d.A n dt h et h e r m a lp a d sw e r es a n d w i c h e db e t w e e nc e l l si nt h eb a t t e r y m o d u l et of o r ml i q u i dc o o l i n g-t h e r m a lp a dc o m b i n e dc o o l i n g.T h et e m p e r a t u r er i s ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t e r ym o d u l eb a s e do nt h ec o m b i n e dc o o l i n gw e r es i m u l a t e d.A n dt h ee f f e c t so fl i q u i dt e m p e r a t u r e,v e l o c i t ya n dp r e s s u r eo nt h eh e a td i s s i p a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r ym o d u l ea t 2 Cr a t ed i s c h a r g ew e r e a n a l y z e d.T h e r e s u l t s s h o wt h a t,a t t h e s a m ed i s c h a r g e r a t e,t h e l i q u i d t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i n l e t a n dt h eo u t l e tw i t ht h e l o o p-t y p ec a nb e i n c r e a s e db y2 3.5%c o m p a r e dw i t ht h eS-t y p e,a n dt h ec h a n g eo f t h e f l o wr a t e i nt h ec h a n n e ld o e sn o te x c e e d0.1 m/s.D u et ot h e l e s st u r n i n ga n dm i n o rp r e s s u r el o s sa l o n gt h ew a y i nt h e l o o p-t y p ec h a n n e l,t h em a x i m u ml i q u i dp r e s s u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h e i n l e t a n dt h eo u t l e tc a nb er e d u c e db y3 4 6 8 P a.U n d e rt h e i n f l u e n c eo f t h ea b o v et h r e ef a c t o r s,t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h eb a t t e r ym o d u l ew i t ht h e l o o p-t y p ec a nb er e d u c e db y1 3.2%c o m p a r e dw i t ht h eS-t y p e l i q u i dc o o l i n g.K e yw o r d s:v e h i c l ee n g i n e e r i n g;l i t h i u m-i o nb a t t e r y;t h e r m a lm a n a g e m e n t;l i q u i dc o o l i n g;o p t i m i z a t i o nd e s i g n;p e r f o r m a n c ea n a l y s i s 引 言随着国家节能减排政策的实施，纯电动汽车因环保节能而得以迅速发展。然而，当前纯电动汽车面临的最大难题之一则为动力电池安全问题。锂离子电池由于充 放电快、能量密度高等优点，已成为动力电池的首选。但锂离子电池的最佳工作温度为 且温差不超过 。如果散热不及时，严重时将引发热失控等安全事故。因此，对动力电池进行有效热管理意义重大。当前电池热管理散热方式主要有空冷、液冷、相变材料（，）冷 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；江西省自然科学基金项目（）第一作者：刘霏霏（），女，博士，副教授，主要从事电动汽车热管理及环境适应性方面的研究。：却和热管冷却等。其中，液冷由于导热系数大，传热效率高，被广泛运用于实际工程中，如特斯拉 系列、比亚迪汉。等研究了液冷微通道平板散热，增大液冷板接触面积和梯度角度、液体介质速度，冷却效果和均温性均得到有效改善；等分析了蛇形和 型冷却管道用于电池液冷散热，提出了一种蛇纹优化设计方法，优化方案比原方案温度下降了；安治国等研究泡沫铝与液冷复合散热，并分析泡沫孔隙率大小、流道流速及间距对电池模组温度和温差的影响，得出增加流道流速和泡沫铝孔隙率可有效降低电池模组温度。笔者基于锂离子电池的生传热机理，通过电池内阻实验测得电池内阻，在精确获得热物性参数及边界条件的基础上建立了电池热仿真模型。在单体模型验证的基础上，应用有限元软件，模拟仿真电池模组在不同放电倍率下的温升。根据温度场分布的不一致性设计了两种电池模组液冷散热结构，即 型和回型液冷散热通道，同时在模组内单体之间夹隔导热垫片，形成液冷导热垫复合散热。对比分析电池模组在 放电倍率下两种散热结构液冷介质的温度、速度和压强对电池温度的影响。综合考虑电池的热均衡性，确定最佳的液冷散热结构。热模型的建立锂离子电池内部结构复杂，充放电过程中会发生剧烈的化学反应，因此，在建立热仿真模型时，有必要做出相应假设：电池各组成材料的密度、比热容和导热系数保持不变；自然对流系数保持恒定不变且热辐射对电池散热影响忽略不计。基于上述假设建立电池的热仿真模型：（）式中：为电池的密度，；为电池导热系数，；为电池比热容，；为电池的平均生热率，；为温度，；电池放电时间，；、分别为电池的长、宽、高方向。电池的生热机理电池在充放电过程中，是一个伴随着热量产生的电化学反应。文献通过实验，把电池的产热主要分为焦耳热、极化热 以及反应热。反应热相对于焦耳热、极化热较小，可以忽略不计。简化后电池平均生热率 及单位体积生热率 可表示为：（）（）（）（）式中：为焦耳热，；为极化热，；为欧姆内阻，；为极化内阻，为单位体积生热率，；为电池体积，。边界条件 空冷边界电池外表面与空气之间形成对流边界，对流边界方程表示为：（）（）式中：为对流换热量，；为对流换热系数，；为环境温度，。液冷边界电池与液冷板直接接触，电池热量传导到液冷板上。此时液冷板的能量守恒方程可表示为：（）（）式中：为液冷板密度，；为液冷板比热容，；为 液 冷 板 导 热 系 数，；为液冷板温度，；为拉普拉斯算子。往液冷板中通入冷却剂，冷却剂与液冷板间发生热传导，冷却剂将热量传递出来。假设冷却剂为不可压缩液体且密度不随时间变化，冷却剂的能量守恒方程、连续性方程、动量守恒方程分别表示为：（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为冷却剂密度，；为冷却剂比热容，；为 冷 却 剂 导 热 系 数，；为冷却剂的速度，；为冷却剂的压力，；冷却剂的动力粘度，。重 庆 交 通 大 学 学 报（自 然 科 学 版）第 卷 电池单体热特性实验 实验对象以某、锂离子电池为研究对象，电池的长、宽、高分别为、，极耳的长、宽、高分别为、。考虑到电池单体的生热速率取决于其内阻，因此在实验条件下对电池进行内阻测试。实验设备实验相关测试设备包括：迪卡龙电池充放电设备 迪卡龙（青岛）电子有限公司产，电流精度达到 ，动态信号分析仪（江苏东华测试技术股份有限公司产）：包含 个测试通道，其中 个与热电偶配合使用，个连接温度补偿传感器，用于测试电池表面不同测点部位的温度值。型热电偶（测温范围为，精度为）