18650鋰離子電池組液冷散熱仿真研究①

王 冬, 唐明云,*, 韓潤利, 伍成智, 黃 超

(安徽理工大學a.深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室,b.安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

鋰離子電池目前廣泛應用于新能源汽車領域,鋰離子電池因為其具有比能量大、功率高、壽命長等特點而受到廣泛的關注。然而鋰離子電池在低溫或者高溫工作環境下其容量以及使用壽命會受到極大的影響。此外,鋰離子電池長期在高溫工作環境下甚至會引發熱失控[1]。研究表明,鋰電池最佳工作溫度范圍是20 ℃～40 ℃且溫差不超過5 ℃[2]。因此,設計合理的電池熱管理系統以提高鋰電池的安全性是必要的。目前熱管理系統的相關研究主要集中在空氣冷卻、相變材料冷卻、液體冷卻。王明悅等[3]針對純電動車的電池模組設計了一種基于蛇形通道的液冷散熱結構,該液冷結構能夠顯著改善電池組的工作環境,模組在2.5 C倍率放電時的溫差也僅7.769 ℃。劉霏霏等[4]人以18650型鋰離子電池為研究對象,設計“S”形液冷管道散熱結構,研究了冷卻液流速、流道數量、流體流向和液冷管的連接方式對散熱的影響,發現改變流體流向可使最高溫度下降2.30 ℃。Rao等[5]人設計了一種變接觸面鋁塊結構的液冷散熱結構,研究鋁塊長度和水的流速對系統冷卻性能的影響,發現當流速不超過0.1 m/s,k=3 mm的情況下溫度分布最均勻。以上研究多是以冷卻液流速以及流道的不同結構來開展研究,且18650圓柱形電池流道的相關研究不多,需要進一步研究。因此,利用COMSOL軟件數值研究了電池組直線形液冷散熱結構,分析了在不同數量的流道結構以及冷卻液流向對電池組散熱的影響。

1 電池模型與方程的建立

1.1 基本假設

研究對象為圓柱形鋰離子電池,在構建鋰電池模型時,為計算方便,做出以下假設[6-8]:

(1)電池內部產熱均勻。

(2)電池內部活性材料分布均勻,內部各種材料特性各向同性。

(3)電池內部電解液流動性很差。

(4)忽略電池內部對流換熱和輻射對溫度的影響影響。

(5)單體電池的比熱容、導熱系數、密度等不隨溫度和電池SOC的變化而變化。

1.2 生熱與傳熱模型

采用D.Bernardi等人的電池生熱速率模型理論[9]計算獲得生熱速率q。生熱速率q表示為:

(1)

電池在直角坐標系下的非穩態導熱微分方程為:

(2)

其中:ρ表示電池密度(kg·m-3);c表示電池比熱容(J·kg-1·K-1);λ表示導熱系數(W·m-1·K-1);t表示電池工作時間(s);T表示電池溫度(K);q表示電池生熱速率(W·m-3)。

1.3 幾何模型的建立

直線形液冷模型包含15節18650鋰離子電池,充電截止電壓4.2 V,放電截止電壓2.8 V。如圖1,電池間距為5 mm。電池的兩側由和電池高度一致的鋁槽包圍,每一側鋁槽弧度均為90°,直線形的冷卻流道穿插在電池組中間。冷卻液以一定的流速從入口流入液冷管道,在液冷管道內充分吸收電池產生的熱量后,從出口流出。

圖1 直線形流道液冷散熱模型

1.4 控制方程和邊界條件

冷卻液的流動狀態取決于雷諾數的大小。已知冷卻液的流動狀態為層流。液冷流道內冷卻液流動時,電池與液冷流道的殼體之間存在導熱,液冷流道與冷卻液之間存在對流換熱。冷卻液的運動由質量守恒方程以及動量守恒方程控制,冷卻液的動量守恒、質量守恒和能量守恒方程分別如下所示[5]:

uw·?(ρwuw)=-?p+μw?2uw

(3)

?·uw=0

(4)

(5)

鋁制冷板不產熱,能量守恒方程為:

(6)

電池在液冷散熱過程中能量守恒方程為[10]:

(7)

式(7)中,“w”“c”“b”分別表示水、冷板和電池。u,μ,p,ρ,T,c和K分別為水流的速度、黏度、壓力、密度、溫度、比熱容和熱導率。Q是電池的熱源。

而液冷流道與冷卻液交界面的熱量交換形式以對流換熱為主,根據牛頓冷卻定律,其控制方程如下[11]:

(8)

初始的環境溫度為25 ℃。出口的壓力條件選擇靜壓,大小為0 Pa。層流中的壁條件為無滑移。電池與冷板外表面為自然對流,自然對流系數為10 W/(K·m2)。冷卻微通道材質為鋁,冷卻液為液態水。冷卻液的物性參數如下表1所示。

表1 水的物性參數表

2 仿真與分析

鋰電池組液冷模擬的模型中直線形流道穿過鋁槽,將冷卻液入口溫度、冷卻液的雷諾數、直線形流道的數量設為變量,對不同條件下的電池組進行仿真模擬,通過對比數值模擬得到的放電結束時電池組的溫度情況,即可得出在不同影響因素下電池的溫度分布情況。根據不同條件下的電池溫度分布,從而得出冷卻效果與冷卻液入口溫度、冷卻液的雷諾數、直線形流道的數量之間的關系。因中間5節電池兩側均有流道分布,所以外側兩列電池更具有參考意義。故下文中以側邊5節電池為研究對象,如圖2所示,從左往右分別編號1-5。

圖2 直線形流道模型俯視圖

2.1 冷卻液的不同雷諾數對電池組溫度的影響

流體流過方形管道時,其水力直徑d=2AB/(A+B),其中A、B為方形管道的長度和寬度。根據雷諾數定義可知,298.15 K下的冷卻液的密度和粘性系數已知,密度ρ=0.997×103kg/m3,μ=0.8937×10-3Pa?s,管道直徑d根據已知條件可以算出,此時影響雷諾數大小的因素為冷卻液入口流速v,討論不同雷諾數情況下的電池組的溫度變化情況。

圖3 不同雷諾數時的單體電池溫度和電池組溫差

從圖3中可知,冷卻液的雷諾數從50增加至250,電池模組最高溫度下降2.89 K,雷諾數從250繼續增加雷諾數至350,溫度僅下降0.45 K,下降較為緩慢,且在雷諾數為350時較雷諾數為300時電池模組最高溫度幾乎無變化。而電池組的最大溫差也隨著雷諾數增大而降低最后趨于穩定?？紤]到過大的雷諾數造成較大的冷卻泵的功率,下文中僅考慮雷諾數50-250的情況。

2.2 冷卻液入口溫度對電池組溫度的影響

為探究冷卻液入口溫度對電池組散熱效果的影響,選取288.15 K,293.15 K,298.15 K,303.15 K,308.15 K等五個入口溫度進行分析。冷卻液雷諾數為50,冷卻液流道為一通道,放電結束時的5節電池放電結束時的最高溫度如圖4所示?？芍?隨著冷卻液溫度的升高,5節電池的溫度均呈現出同步上升的趨勢。

3 改進與分析

3.1 流道數量對散熱性能的影響

在一通道的基礎上繼續設計不同的流道組合,每一列冷卻通道分別可以設計為一通道、二通道、三通道。

分析流道數量對電池模組散熱性能的影響。為減小入口冷卻液流速對散熱效果的影響,考慮電池模組在冷卻液雷諾數為50,流體的流向為單向,不同通道數量下的5節電池仿真溫度云圖如圖5所示。左側為15節電池的溫度云圖,右側為整個電池模組的溫度云圖。

圖4 不同冷卻液溫度時的單體電池溫度

(a)Re=50,一通道

(b)Re=50,兩通道

(c)Re=50,三通道

由圖5可知,越靠近冷卻液入口處電池溫度越低,而越靠近冷卻液出口處電池溫度越高。由圖5可知采用一通道時最高溫度出現了最大值,為305.67 K,采用三通道時最高溫度出現了最小值,為305.17 K。由于冷卻管道為鋁制的方形管,其導熱效果好,熱量可以較快傳播開來,由圖6可見增加通道的數量對提升整個系統的散熱效果有限。

圖6 Re=50時5節電池的最高溫度

3.2 冷卻液流向對散熱性能的影響

如下圖7所示,每一列的通道數為1時,通道命名為A、B以及對面的A1,B1,每一列的通道數為2時,通道命名為A,B,C,D以及對面的A1,B1,C1,D1,每一列的通道數為3時,通道命名為A,B,C,D,E、F以及對面的A1,B1,C1,D1,E1,F1。

圖7 不同流道冷卻液流向的幾何示意圖

每一列為一通道時,在選取冷卻液流向時,考慮到冷卻液入口分布的均勻性以及對稱性。電池模組的冷卻液入口分別為AB和AB1兩種,出口則為A1B1和A1B。第一種情況下冷卻液入口在同側,第二種則是在異側。兩種不同情況下的電池組放電結束時的情況如下圖8所示。最高溫度為實線,溫度為虛線?？芍鋮s液入口在AB時,所研究的電池組的最高溫度更低。冷卻液入口在AB時,不同雷諾數下電池組最高溫度分別為305.67K,304.68K,303.86K,303.35K,302.78 K。而溫差則是AB1時更低。因為此時通道數目較少,入口不在同側使得局部溫度變高,但溫差較之前減小。

每一列為兩通道時,電池模組的冷卻液入口分別為ABCD、ADB1C1,ACB1D1,ABC1D1四種。四種不同情況下的電池組放電結束時的情況如圖9所示?？芍鋮s液入口在ADB1C1和ACB1D1時,電池模組在放電結束時的最高溫度接近,而入口為ADB1C1時電池組的溫差更低。冷卻液入口在ADB1C1時,不同雷諾數下電池組最高溫度分別為304.99 K,304.21 K,303.49 K,303.04 K,302.53 K。溫差ΔT分別為3.47K,3.93K,3.89K,3.8K,3.56 K。

而當每一列為三通道時,電池模組的冷卻液入口分別為ABCDEF,AECB1D1F1,ABFC1D1E1,ABCD1E1F1四種。四種情況下電池組放電結束時的情況如圖10所示?？芍鋮s液入口在AECB1D1F1時,電池組的最高溫度更低,且溫差也最小。冷卻液入口在AECB1D1F1時,不同雷諾數下電池組最高溫度分別為304.98 K,303.97 K,303.26 K,302.84 K,302.37 K。由此可見,在通道數較多時,冷卻液的流向對電池組的溫差影響很大。

圖8 一通道時不同入口對電池組散熱的影響

圖9 二通道時不同入口對電池組散熱的影響

圖10 三通道時不同入口對電池組散熱的影響

圖11 冷卻液入口在AECB1D1F1時的電池模組溫度云圖

圖11為入口在AECB1D1F1時的電池模組溫度云圖?？芍鋮s液入口在AECB1D1F1時的電池模組在不同雷諾數下最高溫度相較于入口在AB時分別下降了0.69 K,0.71 K,0.6 K,0.51 K,0.41 K。而溫差下降比較明顯,分別為2.09 K,1.59 K,1.14 K,0.88 K,0.67 K。改變冷卻液流向對降低電池組溫差效果更好。

4 結 論

以18650鋰離子電池為研究對象,針對圓柱形電池散熱不均勻等問題,分析了直線形液冷管道的各種影響散熱的因素對電池模組散熱效果的影響。結果表明:

(1)冷卻液流道為一通道、入口在同一側時,冷卻液雷諾數從50增加至250,電池組最高溫度下降2.89 K,在此基礎上繼續增加雷諾數至350,溫度僅下降0.45 K。

(2)冷卻液入口溫度越高,放電結束時的電池組溫度也越高,且5節電池的溫度與冷卻液溫度呈現出同步變化的趨勢。

(3)Re=50,三通道下的AECB1D1F1比一通道下的AB電池組最高溫度下降了0.69 K,溫差下降了2.09 K。合理的增加通道數和改變冷卻液流向會使散熱更均勻。