【摘  要】  針對(duì)一款方形硬殼鋰電池，首先進(jìn)行放電溫升實(shí)驗(yàn)研究電池的熱特性。然后設(shè)計(jì)了一種具有蛇形流道的微通道液冷板，結(jié)合電池的生熱特點(diǎn)布置電池與液冷板，并利用 COMSOL 軟件模擬研究了不同冷卻工況對(duì)電池散熱性能的影響。結(jié)果表明：隨著放電倍率增加電池?zé)嵝?yīng)迅速增強(qiáng)，2C 放電時(shí)電池最大溫度和最大溫差已經(jīng)超出允許范圍；蛇形流道微通道液冷板具有良好的散熱效果，隨著冷卻液流量增加電池最大溫度降低、溫度均勻性變好，但是冷卻液溫度只改變電池整體溫度而對(duì)電池溫度均勻性沒(méi)有影響。

0  引言

電動(dòng)汽車(chē)由于在能量效率和節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì)，得到了普遍重視。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件之一，而鋰離子電池具有能量密度高、充放電效率高、自放電率低、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池。

但是，鋰電池對(duì)溫度較為敏感，電池運(yùn)行溫度過(guò)高、或者是單體電池不同部位之間以及單體電池與單體電池之間溫差過(guò)大會(huì)對(duì)電池的性能、壽命、安全性等方面帶來(lái)不利影響。因此利用電池熱管理系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行熱量控制，使電池處于適宜的溫度范圍并保持較好的溫度一致性對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)而言至關(guān)重要。Pesaran 認(rèn)為鋰離子電池最佳的運(yùn)行溫度范圍是 25～40℃，最大溫差應(yīng)在 5℃以下。

電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要有空冷散熱、液冷散熱、相變材料散熱以及耦合散熱等系統(tǒng)。由于空氣的熱導(dǎo)率和比熱容較小，空冷系統(tǒng)的整體散熱能力有限，相變材料散熱同樣存在散熱性能差、相變材料完全融化后系統(tǒng)失效等問(wèn)題。利用液體作為介質(zhì)換熱效率更高，因此，液冷散熱更能滿(mǎn)足鋰電池在大電流、高功率或復(fù)雜工況下的散熱要求。安周建設(shè)計(jì)了一種厚度為 3mm 的微通道液冷板，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)了液冷板與方形電池交錯(cuò)布置時(shí)具有良好的散熱性能。基于液冷散熱的微通道液冷板結(jié)構(gòu)在方形電池的熱管理中具有極大優(yōu)勢(shì)。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)一款商業(yè)化方形硬殼鋰離子電池單體展開(kāi)散熱研究。首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究電池單體放電時(shí)的表面溫度特性，為后續(xù)的熱管理工作提供指導(dǎo)，然后設(shè)計(jì)了具有蛇形流道的液冷板并通過(guò)數(shù)值模擬研究了液冷板散熱性能。

1  電池放電熱特性實(shí)驗(yàn)研究

1.1  電池參數(shù)與實(shí)驗(yàn)方案

本文選擇某公司生產(chǎn)的一款鎳/鈷/錳三元鋰離子電池作為研究對(duì)象，其形狀為方形，主體由不銹鋼殼封裝，電池相關(guān)參數(shù)如表 1 所示。

表1  電池基本參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中利用新威電池測(cè)試儀（型號(hào)：5V200A- NTFA）對(duì)電池進(jìn)行充放電；利用拓普瑞溫度監(jiān)測(cè)儀（型號(hào)：TP700-16）測(cè)定鋰電池表面溫度，將監(jiān)測(cè)儀的 K 型熱電偶測(cè)溫探頭粘貼在電池表面的測(cè)溫點(diǎn)上。電池在厚度方向上為幾何對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此僅在電池的一面布置 5 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，5 個(gè)測(cè)點(diǎn)的分布如圖 1 所示，測(cè)點(diǎn) T1、T2、T4、T5 分別布置在極柱正下方距電池邊緣 17mm 處，測(cè)點(diǎn) T3 布置在電池中心。

圖1  電池表面測(cè)點(diǎn)分布

實(shí)驗(yàn)時(shí)利用空調(diào)將室內(nèi)環(huán)境溫度控制在 25℃，電池充滿(mǎn)電后靜置 3h 使電池溫度穩(wěn)定在初始溫度25℃，然后分別以 1C/2C 倍率放電，放電過(guò)程中各儀器記錄數(shù)據(jù)。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)三次。

1.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2  電池表面最大溫度

實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性較好，三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間差距很小，取平均值進(jìn)行繪圖分析。以五個(gè)測(cè)點(diǎn)中的最大值作為電池表面最大溫度，如圖 2 所示為 1C、2C 放電倍率下電池表面最大溫度隨放電時(shí)間的變化。放電時(shí)電池內(nèi)部的生熱反應(yīng)十分復(fù)雜，產(chǎn)熱速率也會(huì)發(fā)生變化，從溫升曲線的變化趨勢(shì)可以看出在放電前期溫升速率逐漸減小，放電后期則逐漸增大，這是由于在放電后期電池的生熱反應(yīng)更加強(qiáng)烈。電池1C 放電時(shí)放電結(jié)束時(shí)刻表面最大溫度達(dá)到 39.1℃，比初始溫度 25℃升高了 14.1℃，整個(gè)放電過(guò)程中電池溫度勉強(qiáng)維持在最佳工作溫度 25～40℃范圍內(nèi)。2C 放電時(shí)，放點(diǎn)開(kāi)始后電池溫度迅速升高，在 600s 左右電池溫度已經(jīng)超過(guò) 40℃，在放電結(jié)束時(shí)刻電池已經(jīng)達(dá)到 55.5℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電池最佳運(yùn)行溫度上限 40℃。隨著放電倍率的增加電池?zé)嵝?yīng)迅速增強(qiáng)，電池表面最大溫度升高，這主要是因?yàn)殡姵氐臍W姆產(chǎn)熱與放電電流成平方關(guān)系，高倍率放電使電池產(chǎn)熱迅速增大，此時(shí)如不采取散熱措施甚至?xí)?dǎo)致電池溫度超過(guò)安全閾值引發(fā)安全事故。

除了最大溫度，電池表面的溫度分布與最大溫差同樣值得關(guān)注。如前文所述電池在 2C 放電時(shí)具有更強(qiáng)烈的熱效應(yīng)，因此以 2C 放電為例進(jìn)行分析。如圖 3 所示為不同放電時(shí)期電池表面各測(cè)點(diǎn)的溫度。分別以 300s、900s、1800s 代表放電前期、中期、后期?？梢杂^察到同一放電時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的溫度并不相等，電池表面溫度分布不均勻。位于正極正下方的測(cè)點(diǎn) T1 溫度最高，其次是位于負(fù)極下方的測(cè)點(diǎn) T2，距離正極最遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn) T4 溫度最低。整個(gè)電池表面的溫度分布規(guī)律表現(xiàn)為極耳附近溫度最高，與極耳距離越遠(yuǎn)的區(qū)域溫度越低。這主要是因?yàn)?，集流體對(duì)電流的匯集作用使正負(fù)極極耳附近有更強(qiáng)的熱效應(yīng)，導(dǎo)致正負(fù)極處溫度更高，且電池正極集流體為鋁，負(fù)極集流體為銅，鋁的電阻更大，焦耳熱效應(yīng)更強(qiáng)，所以正極溫度略高于負(fù)極。5 個(gè)測(cè)點(diǎn)之間最大值與最小值之差作為電池表面的最大溫差，300s、900s、1800s 時(shí)刻最大溫差分別為3.6℃、4.4℃、5.0℃，到放電后期隨著熱量的積累以及電池不同部位產(chǎn)熱的差異導(dǎo)致電池表面溫度分布越來(lái)越不均勻。在整個(gè)放電過(guò)程中電池的表面最大溫差達(dá)到 5.5℃，已經(jīng)超過(guò)允許的最大溫差 5℃。

圖3  電池表面溫度分布

從以上分析可知，高電流放電時(shí)無(wú)論是電池最大溫度還是溫度均勻性都無(wú)法滿(mǎn)足電池的運(yùn)行溫度要求，因此對(duì)于電池而言在高倍率放電下電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)至關(guān)重要。

2  基于微通道液冷板的熱管理系統(tǒng)

針對(duì)方形電池，微通道液冷板由于厚度較薄、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱效果良好，是基于液冷的電池?zé)峁芾碇凶畛Ｒ?jiàn)的散熱結(jié)構(gòu)，液冷板的布置方式通常是與電池單體依次疊放夾持成組。液冷板的材料通常選擇鋁、銅等金屬，其制造一般首先利用銑床在金屬基板上加工出流道，然后再將蓋板通過(guò)壓焊的方式焊接在基板上，形成液冷板。

本文針對(duì)所研究的鋰電池設(shè)計(jì)了一種具有蛇形流道的微通道液冷板。采用密度小且具有良好導(dǎo)熱性能和機(jī)械加工特性的鋁作為液冷板材料。液冷板整體的長(zhǎng)度、寬度尺寸與鋰電池相同，分別為148mm 和 92mm，液冷板厚度為 3mm。液冷板結(jié)構(gòu)如圖 4 所示，其內(nèi)部具有寬度為 3mm、深度為1mm 的蛇形流道，流道的進(jìn)出口在液冷板同側(cè)，橫向的流道共有四條，流道之間的肋寬度為22.5mm。

圖4  液冷板結(jié)構(gòu)示意圖

圖5  電池散熱結(jié)構(gòu)示意圖

為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，本文針對(duì)鋰電池單體研究冷卻工況對(duì)液冷板散熱性能的影響，即兩塊液冷板夾持一塊鋰電池單體，其散熱結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。液冷板中的冷卻工質(zhì)為水，當(dāng)電池放電時(shí)，低溫工質(zhì)流過(guò)液冷板，帶走電池產(chǎn)生的熱量并將電池的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。由第 1 節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知鋰電池發(fā)熱時(shí)正負(fù)極極耳處尤其是正極有更強(qiáng)的熱效應(yīng)，為了讓電池得到更合理的散熱，按圖示位置放置鋰電池與液冷板，液冷板進(jìn)口靠近鋰電池上方正極極耳位置，低溫的冷卻液首先流過(guò)正負(fù)極下方，保證電池的高溫區(qū)域優(yōu)先得到冷卻。針對(duì) 2C 放電時(shí)進(jìn)行散熱研究。為研究冷卻液流量對(duì)散熱性能的影響，冷卻液入口溫度固定在 25℃，對(duì)于一個(gè)液冷板其流量分別取 30mL/min ，45mL/min ，60mL/min ， 75mL/min，90mL/min；為研究冷卻液溫度對(duì)散熱性能的影響，冷卻液流量選擇 60mL/min，冷卻液入口溫度分別取 15℃，20℃，25℃，30℃，35℃。

3  電池散熱數(shù)值模擬研究

3.1  建立數(shù)值模型

本文利用 COMSOL 軟件創(chuàng)建幾何模型、設(shè)置模擬參數(shù)、劃分網(wǎng)格并完成數(shù)值計(jì)算。

3.1.1 幾何模型與模擬參數(shù)

由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)創(chuàng)建幾何模型的一半即可。按照?qǐng)D 4 與圖 5 以及給出的尺寸建立電池散熱結(jié)構(gòu)的幾何模型。

李騰等人指出，在進(jìn)行鋰電池?zé)峁芾砟M研究中，鋰電池的熱模型可以采用宏觀均一化模型，即將鋰電池等效成具有恒定發(fā)熱功率的均質(zhì)體。電池在高倍率放電時(shí)產(chǎn)生的熱量主要來(lái)自于焦耳熱，因此電池作為熱源其內(nèi)核和正負(fù)極極耳發(fā)熱量Q 可以按照如下公式計(jì)算：

式中，I 為放電電流，A；Ri 分別為電池內(nèi)核內(nèi)阻、正/負(fù)極極耳電阻，Ω。電池正/負(fù)極極耳材料分別為鋁/銅，據(jù)此計(jì)算極耳電阻。電池發(fā)熱量和電池?zé)嵛镄詤?shù)如表 2 所示。

表2  電池模擬參數(shù)

3.1.2 條件設(shè)置與網(wǎng)格劃分

模型初始溫度設(shè)置為 25℃；為排除干擾模型表面設(shè)置為絕熱邊界以保證電池?zé)崃咳坑衫鋮s液帶走；流道入口邊界條件設(shè)置為充分發(fā)展的流動(dòng)，出口設(shè)置壓力邊界條件，表壓為 0Pa；所有流動(dòng)邊界設(shè)置為無(wú)滑移壁條件。在最大冷卻液流量90mL/min 下，計(jì)算雷諾數(shù) Re 可知冷卻液在流道內(nèi)為層流流動(dòng)，因此在計(jì)算中采用層流模型。求解流動(dòng)和傳熱問(wèn)題時(shí)由 COMSOL 軟件自動(dòng)耦合計(jì)算，求解計(jì)算的相對(duì)誤差精度設(shè)為 1×10-6。

模型的網(wǎng)格劃分為自由四面體網(wǎng)格。求解流動(dòng)問(wèn)題一般要求較高的網(wǎng)格精度，因此在流體域網(wǎng)格更加精細(xì)，最大單元尺寸在 0.3mm 以下，固體域網(wǎng)格最大單元尺寸在 1.5mm 以下。網(wǎng)格的最小單元質(zhì)量和平均單元質(zhì)量分別為 0.1833 和 0.6598，網(wǎng)格總數(shù)量為 1435784 個(gè)，網(wǎng)格的質(zhì)量和數(shù)量足以保證計(jì)算精度。

首先模擬電池 2C 放電時(shí)的溫度，驗(yàn)證電池模型的準(zhǔn)確性，模擬中電池 T1-T5 測(cè)點(diǎn)溫度與實(shí)驗(yàn)中對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)溫度十分接近，差值在 5%以?xún)?nèi)，因此可以認(rèn)為本文建立的電池?zé)崮Ｐ蜏?zhǔn)確可信。

3.2  模擬結(jié)果分析

電池運(yùn)行時(shí)的最大溫度和溫度均勻性是熱管理中的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，而最大溫差可以反映出電池溫度分布均勻性，因此下文將從電池的最大溫度與最大溫差兩方面分析液冷板的散熱性能。

3.2.1 冷卻液流量對(duì)散熱的影響

圖6  電池表面及中間截面溫度

首先以冷卻液流量 90mL/min 為例分析電池表面以及厚度方向中間截面的溫度分布。如圖 6 所示，對(duì)于電池表面的溫度分布，當(dāng)冷卻液從入口流入時(shí)，靠近入口的電池正極區(qū)域首先得到冷卻，且入口處冷卻液溫度最低，散熱效果最好，所以盡管鋰電池正極的熱效應(yīng)最強(qiáng)，但是由于得到良好散熱，正極附近的溫度反而是較低的。正負(fù)極之間的區(qū)域處在流道的上游，上游的流體溫度偏低且該處電池的熱效應(yīng)遠(yuǎn)不如正負(fù)極區(qū)域強(qiáng)烈，因此此處的溫度是整個(gè)電池表面最低的。流體在蛇形流道內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)流體流動(dòng)至負(fù)極區(qū)域時(shí)已經(jīng)被加熱溫度升高，而負(fù)極處熱效應(yīng)較強(qiáng)，因此負(fù)極區(qū)域的溫度最高。隨著流程的繼續(xù)增加，冷卻液吸收的熱量越來(lái)越多，冷卻液溫度逐漸升高，冷卻效果越來(lái)越差，因此電池的下部和靠近出口的區(qū)域溫度逐漸升高。對(duì)于電池厚度方向中間截面的溫度分布，越靠近表面電池溫度越低，電池內(nèi)部的溫度最高。從高度方向看電池上部溫度低、底部溫度高，這也符合前文所述隨著流程增加散熱效果變差的規(guī)律。

圖7  不同流量下電池最大溫度

圖8  不同流量下電池最大溫差

圖 7 和圖 8 更加直觀的展現(xiàn)了冷卻液流量與電池最大溫度和最大溫差之間的關(guān)系。很明顯冷卻液流量對(duì)散熱性能的影響巨大，如圖7 所示當(dāng)流量為 30mL/min 時(shí)，電池最大溫度為 33.1℃，在整個(gè)放電過(guò)程中電池溫度升高了 8.1℃，而無(wú)散熱時(shí)電池最大溫度為 55.5℃，即便是在較小的流量下液冷板依然能夠?qū)㈦姵刈畲鬁囟冉档?22.4℃并控制在40℃以?xún)?nèi)。隨著流量增加，電池最大溫度逐漸減小，最大冷卻液流量 90mL/min 之下，電池的最大溫度僅為 29.3℃。觀察圖7 中折線的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)隨著流量增加，最大溫度降低時(shí)的變化率逐漸變小，這是容易預(yù)見(jiàn)的，因?yàn)殡姵爻跏紲囟群屠鋮s液進(jìn)口溫度均為 25℃，流量增大電池的溫度并不能一直降低而是將逐漸趨近于 25℃。當(dāng)冷卻液流量為90mL/min 時(shí)電池的冷卻效果已經(jīng)足夠好，此時(shí)即使再增大流量只會(huì)增加泵功損耗而無(wú)益于提升散熱性能。如圖 8 所示，當(dāng)流量為 30mL/min 時(shí)，電池最大溫差為 3.6℃，與無(wú)散熱時(shí)電池表面最大溫差 5.5℃相比，即便是在低流量下也可以將電池溫差控制在最大允許溫差 5℃內(nèi)。隨著流量增大電池溫差也逐漸減小，電池的溫度一致性變好。但是當(dāng)流量繼續(xù)增大時(shí)電池溫差降低的幅度變小，溫差趨于穩(wěn)定，當(dāng)流量為 90mL/min 時(shí)，溫差為 2.2℃，溫差已經(jīng)足夠小，此時(shí)再繼續(xù)增加流量對(duì)于提高電池的溫度一致性已經(jīng)沒(méi)有明顯的效果。而當(dāng)流量從30mL/min 增加至 90mL/min 時(shí)，流道內(nèi)壓降由1.9kPa 增加至 6.8kPa，增加流量雖然可以提升電池冷卻性能但是也會(huì)增加泵功耗，以上分析可見(jiàn)，對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)選擇合適的工質(zhì)流量十分重要。

3.2.2 冷卻液入口溫度對(duì)散熱的影響

圖9  不同冷卻液溫度下電池最大溫度

如圖 9 所示，當(dāng)冷卻液入口溫度從 35℃降低至 15℃，電池的最大溫度也隨之降低，依次為 39.8℃，34.9℃，30.0℃，25.1℃，20.2℃，而無(wú)散熱措施時(shí)該值為 55.5℃?？梢?jiàn)，即便是冷卻液溫度較高（35℃）時(shí)，液冷板也可將電池溫度冷卻并控制在40℃以?xún)?nèi)，但是當(dāng)冷卻液溫度在 20℃及以下時(shí)，電池的運(yùn)行溫度反而低于最佳運(yùn)行溫度的下限 25 ℃，電池運(yùn)行溫度過(guò)低導(dǎo)致其電化學(xué)性能變差，因此選擇合適的冷卻液溫度同樣重要。此外，冷卻液溫度每降低 5℃時(shí)，電池最大溫度約降低 4.9℃，圖中的折線為直線，即冷卻液溫度與電池最大溫度之間呈現(xiàn)出一次函數(shù)的變化關(guān)系。

當(dāng)冷卻液溫度從 35℃降低至 15℃時(shí)，電池的最大溫差保持在 2.4℃不變，冷卻液溫度對(duì)溫差沒(méi)有明顯的影響，溫差保持在一個(gè)較小的水平，遠(yuǎn)小于最大允許溫差 5℃。當(dāng)冷卻液溫度減小時(shí)，由于流量是固定的，因此電池的溫度整體下降而溫度分布特性不變，即電池的最大溫差保持不變。從圖 10電池在最大和最小入口溫度下的溫度分布云圖中可以更加直觀的看出，當(dāng)冷卻液溫度降低時(shí)電池溫度也隨之降低，但是冷卻液溫度與電池的溫度分布之間并不存在相關(guān)性，不會(huì)影響電池溫度均勻性，即冷卻液溫度降低時(shí)電池的溫差保持不變。

（a）15℃

（b）35℃

圖10  15℃、35℃冷卻液溫度下電池表面溫度

4  結(jié)論

（1）隨著放電倍率增加電池?zé)嵝?yīng)迅速增強(qiáng)，電池的表面溫度迅速升高、表面溫度分布均勻性變差，2C 放電時(shí)電池最大溫度和最大溫差分別為55.5℃、5.5℃，已經(jīng)超出鋰電池最佳運(yùn)行溫度范圍上限 40℃、最大允許溫差 5℃。電池表面呈現(xiàn)出距正負(fù)極越近、溫度越高的溫度分布特點(diǎn)。

（2）具有蛇形流道的微通道液冷板散熱性能優(yōu)良，即便是在冷卻液流量較小、溫度較高的不利工況下，依然可以將電池的溫度和溫差控制在適宜的范圍內(nèi)。隨著冷卻液流量的增加，電池的最大溫度降低，電池表面溫度分布更加均勻，散熱性能變好，但是最大溫度與最大溫差下降的變化率越來(lái)越小。且增加流量會(huì)導(dǎo)致流體壓降增大，因此選擇合適的流量對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)十分重要。

（3）冷卻液溫度影響電池整體的溫度高低，但是不會(huì)影響電池的溫度分布均勻性。冷卻液進(jìn)口溫度降低時(shí)，電池最大溫度等比例下降，而最大溫差保持不變，電池的表面最大溫差主要由冷卻液流量決定。

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