液冷式鋰離子電池組可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要

鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車等領(lǐng)域，其可靠性的高低將會直接影響車況。鋰離子電池組需要依靠高效的熱管理系統(tǒng)來保障其安全可靠運(yùn)行，其中液冷散熱系統(tǒng)對于電池組整體溫度的控制及溫度均勻性的控制都有很好的效果。通過建立的液冷式鋰離子電池組的有限元仿真模型，仿真對比蛇形和雙倒U形兩種冷卻通道對電池組的散熱效果。采用的雙倒U形比蛇形冷卻通道具有更好的效果，電池組的最高溫度降低了17.2℃，溫差降低了12.1℃。采用冷卻效果更好的雙倒U形冷卻通道作為待優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并通過調(diào)整冷卻液入口溫度、流量及加置石墨烯薄膜三種途徑進(jìn)一步降低電池組整體溫度及提高溫度均勻性。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池組最高溫度降低了32.2%，溫差降低了59.2%，局部過熱的問題得到了緩解，電池組的可靠性得到提高。關(guān)鍵詞

鋰離子電池組；液冷式；雙倒U形；溫度均勻性；可靠性近年來，新能源汽車因其低能耗、低污染等優(yōu)勢，受到了人們的青睞。鋰離子電池憑借高能量密度、高功率、低自放電率等優(yōu)良性能，成為新能源汽車動力電池的首選。常規(guī)車用鋰離子電池工作的安全溫度上限為80℃，其在充放電過程中產(chǎn)生的熱量如不能及時排出，易造成電池組溫度疊加。若電池組的工作溫度可控制在20～40℃，溫差低于5℃，即電池組具有較高的溫度一致性，可保證電池組處于最佳的性能狀態(tài)。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，電池組的冷卻類型可分為三種：相變材料(PCM)冷卻、空氣冷卻及液體冷卻。相變材料冷卻的原理是在每個電池單元間隙中填充一定量的PCM，當(dāng)PCM經(jīng)歷相變時，可吸收電池組的熱量，劣勢是此過程中對散熱系統(tǒng)的控制及運(yùn)行存在一定的難度且相變材料的穩(wěn)定性及導(dǎo)熱性較差。空氣冷卻的原理是利用流動的空氣與電池組的外表面直接接觸，以降低電池組溫度，劣勢為其導(dǎo)熱系數(shù)及熱容量較低，不適合應(yīng)用于對安全性能有較高要求的汽車中。液體冷卻具有換熱系數(shù)高、溫控效果好等特點(diǎn)，其原理是利用冷卻液直接或間接接觸電池，以達(dá)到降低電池組的整體溫度的目的，在相同的流量下，液體冷卻比空氣冷卻具有更好的冷卻效果。有研究表明，采用液體冷卻的方式對電池組最高溫度及溫度均勻性的控制均有很好的效果。石墨烯是一種二維碳納米高導(dǎo)熱材料，在理想情況下，單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)甚至高達(dá)5300W/(m?K)，相較于傳統(tǒng)的散熱材料，石墨烯薄膜具備優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性質(zhì)及良好的化學(xué)穩(wěn)定性。石墨烯薄膜憑借其優(yōu)異的面內(nèi)熱導(dǎo)率，可將單電池產(chǎn)生的熱量實(shí)現(xiàn)水平方向上的快速傳遞，消除局部過熱問題，使電池組整體熱量分布均勻。其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能吸引了眾多學(xué)者的目光，現(xiàn)已在智能設(shè)備、電子元器件等眾多領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。電池作為電動汽車唯一的動力來源，其可靠性將直接影響駕駛的安全性。本工作通過優(yōu)化液冷通道及應(yīng)用石墨烯薄膜，旨在設(shè)計(jì)出一種具有良好熱管理性能的電池組，以實(shí)現(xiàn)電池組的整體溫度及溫度一致性處在合理范圍內(nèi)。1液冷式鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本工作的基礎(chǔ)模型是模擬了新能源汽車中圓柱形18650型鋰離子電池及棱柱形電池的封裝結(jié)構(gòu)。對于液冷式鋰離子電池組的散熱，冷卻翅片內(nèi)的冷卻通道發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的蛇形冷卻通道在電池組液冷裝置中較為常見，冷卻液從冷卻翅片入口處流入，吸收來自電池組的熱量，然后從出口流出。本工作設(shè)計(jì)了一種新型的雙倒U形的冷卻通道，冷卻液可從冷卻翅片的兩個入口處同時流入，后在同一個出口處匯合流出，即雙輸入單輸出的液冷式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。體積濃度為50%的乙二醇水溶液具有較低的冰點(diǎn)及較大的比熱容等優(yōu)勢，選其作為冷卻通道內(nèi)的冷卻液。圖1

液冷微型通道為簡化計(jì)算，本工作選擇了3只單體電池進(jìn)行設(shè)計(jì)，每只單體電池含兩只棱柱電池和一個冷卻翅片，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2

單體電池結(jié)構(gòu)示意圖本工作利用有限元仿真軟件構(gòu)建了蛇形和雙倒U形兩種不同冷卻通道的鋰離子電池組的三維物理模型，尺寸均為：寬度226mm×深度30mm×高度140mm，其中采用了雙倒U形冷卻通道的電池組如圖3所示。圖3

液冷式電池組2液冷式鋰離子電池組的仿真研究2.1仿真步驟及原理本節(jié)以采用雙倒U形冷卻通道的液冷式鋰電池組為例，基于有限元軟件仿真步驟如下。（1）建立三維模型。每塊棱柱電池的尺寸為：寬度200mm×厚度4mm×高度120mm，冷卻翅片的尺寸為：寬度200mm×厚度2mm×高度120mm，冷卻通道的厚度為1mm。（2）網(wǎng)格化模型。選擇自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行分割構(gòu)建。共含1539781個域單元、266630個邊界單元和20360個邊單元，劃分結(jié)果如圖4所示。圖4

液冷式鋰離子電池組網(wǎng)格劃分結(jié)果（3）流體邊界條件設(shè)定。設(shè)定冷卻液入口溫度及環(huán)境溫度為25℃，截面入口處流入總流量均為0.3cm3/s，即每個冷卻翅片冷卻通道入口處的平均流量為0.1cm3/s。雷諾數(shù)計(jì)算公式見式(1)。(1)、、分別為流體的密度、流速與黏性系數(shù)，為特征長度。液冷通道中的雷諾數(shù)小于2300，判定冷卻液是層流流動，對電池組中流體添加層流物理場。根據(jù)牛頓冷卻定律，冷卻通道與冷卻液之間的對流邊界條件如式(2)所示。(2)其中是冷卻通道與乙二醇水溶液之間的熱對流，是對流傳熱系數(shù)，是冷卻通道與冷卻液之間的接觸面積，和分別是冷卻通道和冷卻液的溫度。（4）電池生熱條件設(shè)定。電池組中的6只棱柱電池均可視為均勻的體熱源，開發(fā)的電池生熱率公式如式(3)所示，其中表示電池的發(fā)熱率，為單個電池單元的有效計(jì)算體積，為電池工作電流，充電時為正，放電時為負(fù)。為當(dāng)前電池的熱力學(xué)溫度，為電池在平衡狀態(tài)時的開路電壓，為溫度系數(shù)。(3)對棱柱電池做以下假設(shè)：①電池的熱容量恒定；②不考慮電池內(nèi)部的對流和熱輻射。圓柱形18650型鋰離子電池憑借其成熟及穩(wěn)定的優(yōu)勢多應(yīng)用于電動汽車中，故將其比總損耗值作為棱柱電池的熱源數(shù)值，并將電池組的放電負(fù)載的放電倍率設(shè)為6。其中，18650型鋰離子電池的比總損耗值的計(jì)算如式(4)所示，其由鋰離子電池一維模型的體積熱源與兩個因子相乘取得，第一個因子是產(chǎn)生熱量的總一維模型的分?jǐn)?shù)，第二個因子為產(chǎn)生熱量的總?cè)S圓柱電池幾何形狀的分?jǐn)?shù)，具體符號說明及參數(shù)如表1所示。表1

18650型鋰離子電池符號說明及參數(shù)(4)（5）電池傳熱條件設(shè)定。棱柱電池的導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性的特征，沿寬度和高度方向(X、Z方向)熱量傳遞方式為各層并聯(lián)，沿深度方向(Y方向)熱量傳遞方式為各層串聯(lián)，不同方向的導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算如式(5)和式(6)所示。(5)(6)其中、、分別表示電池沿X、Y、Z三個方向的等效導(dǎo)熱系數(shù)，是單電池不同層的厚度，為各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。由等效導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算公式，設(shè)定棱柱電池的導(dǎo)熱系數(shù)值，和設(shè)定為29.55W/(m?K)，設(shè)定為0.9W/(m?K)。電池組表面絕緣效果較差會造成熱量損耗，將其表面的熱通量設(shè)置為0.5W/(m2?K)。（6）執(zhí)行熱仿真。在仿真過程中，電池組產(chǎn)生的熱量通過直接接觸傳遞到冷卻翅片，這部分熱量被冷卻翅片中的冷卻液吸收。熱量通過熱傳導(dǎo)的形式在電池組和冷卻翅片之間傳遞。電池組的守恒方程見式(7)，冷卻翅片的守恒方程見式(8)。(7)(8)其中和分別是電池組和冷卻翅片的導(dǎo)熱系數(shù)，、和分別是鋰離子電池的密度、熱容量和溫度，、、分別是冷卻翅片的密度、熱容量和溫度。2.2仿真結(jié)果的比較分析在相同的冷卻液入口溫度、流量、流速和棱柱電池數(shù)量的條件下，對蛇形和雙倒U形冷卻通道進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5、6所示。圖5

電池組溫度分布圖圖6

冷卻通道內(nèi)壓力分布圖采用傳統(tǒng)蛇形冷卻通道散熱的電池組，其最高溫度為63.5℃，溫差為24.1℃，鋰離子電池釋放的熱量將被蛇形通道內(nèi)的冷卻液吸收，電池組表面溫度自入口至出口逐漸升高，最高溫度出現(xiàn)在冷卻液的出口處；冷卻通道內(nèi)的最大壓力為1063Pa，出現(xiàn)在冷卻液入口處。若將其內(nèi)部微型通道改進(jìn)為雙倒U形，電池組最高溫度可降至46.3℃，溫差降至12℃，溫度最高點(diǎn)位置轉(zhuǎn)變至第三塊和第四塊棱柱電池接觸的邊緣中心；冷卻通道內(nèi)的最大壓力為516Pa，壓力最大點(diǎn)位置不變。冷卻翅片表面(y=4mm)的溫升情況如圖7所示，采用蛇形冷卻通道散熱的電池組，其溫升最高為38K。采用新型雙倒U形冷卻通道散熱的電池組，其溫升在冷卻液兩側(cè)入口處最低，為9.34K，在冷卻液出口最高，為20.8K。圖7

冷卻翅片表面溫升分布圖綜上所述，相比于傳統(tǒng)蛇形冷卻通道，雙倒U形冷卻通道具備更好的溫度均勻性、更低的壓力及溫升分布，電池組的最高溫度降低了17.2℃，溫差降低了12.1℃，冷卻通道內(nèi)的壓力降低了547Pa，冷卻翅片表面的溫升降低了17.2K，即采用了雙倒U形冷卻通道的電池組具備更高的可靠性。3基于雙倒U形通道的可靠性分析3.1冷卻液入口溫度對電池組可靠性的影響環(huán)境溫度的改變會影響到電池組內(nèi)冷卻液入口溫度。仿真冷卻液入口溫度在-10～60℃范圍內(nèi)鋰離子電池組的表現(xiàn)情況，電池組的最高溫度、溫差變化及冷卻通道內(nèi)的壓力變化情況如圖8所示。圖8

入口溫度對電池組的影響當(dāng)電池組處在低溫環(huán)境，冷卻液入口溫度為-10℃時，電池組的最高溫度僅為27.5℃，而溫差高達(dá)21.04℃，冷卻通道內(nèi)的壓力高達(dá)1928Pa。隨著冷卻液入口溫度的升高，電池組內(nèi)的整體溫度呈上升趨勢，溫差及冷卻通道內(nèi)的壓力呈下降趨勢。當(dāng)冷卻液入口溫度在10～35℃時，電池組的最高溫度處在36.1～53.6℃、溫差處在14.5～10.5℃、冷卻通道內(nèi)壓力處在833.9～390.0Pa，整體處于較合適的范圍，能夠較好地保證電池組的可靠性。綜上所述，低溫及高溫環(huán)境均不利于電池組保持可靠性。當(dāng)冷卻液入口溫度在15～35℃范圍內(nèi)時，電池組的整體表現(xiàn)情況較好。3.2冷卻液入口流量對電池組可靠性的影響冷卻通道中的流體需通過泵進(jìn)行驅(qū)動，由泵的功率所決定的冷卻液入口流量的大小會對電池組的整體表現(xiàn)情況產(chǎn)生影響。保持環(huán)境溫度及冷卻液入口溫度為25℃，調(diào)整泵的驅(qū)動功率，使得冷卻通道內(nèi)的平均流量在0.05～0.50cm3/s的范圍變化，仿真結(jié)果如表2所示。表2

不同流量下電池組的表現(xiàn)情況當(dāng)冷卻液入口流量為0.05cm3/s時，液冷通道內(nèi)的壓力較小，為256.8Pa，此時電池組最高溫度為65.6℃，溫差高達(dá)16.2℃。冷卻通道內(nèi)平均流量的增加會加速熱量的傳遞，電池組的整體溫度、溫差下降。當(dāng)平均流量調(diào)整至0.35cm3/s時，電池組的最高溫度可降至31.4℃、溫差為5.2℃，此時增大流量只會增加液冷散熱裝置的能量消耗，而散熱效果卻不再有明顯的增加。綜上所述，在遵循實(shí)際工藝可行性的前提下，將冷卻通道內(nèi)平均流量從0.1cm3/s增加至0.35cm3/s，此時電池組的整體效果最好。電池組的最高溫度降低14.9℃，溫差降低6.8℃，電池組的可靠性得到提高。3.3冷卻液入口溫度對電池組可靠性的影響3.3.1石墨烯薄膜的加置保持環(huán)境溫度及冷卻液入口溫度為25℃、冷卻液入口平均流量為0.35cm3/s。選用厚度為50μm、密度ρ為2000kg/m3，恒壓比熱容為850J/(kg?K)、橫向?qū)嵯禂?shù)為2000W/(m?K)、縱向?qū)嵯禂?shù)為20W/(m?K)的石墨烯薄膜。仿真在理想情況下進(jìn)行，將其置于棱柱電池與冷卻通道間，如圖9所示。圖9

加置石墨烯薄膜的電池結(jié)構(gòu)示意圖石墨烯薄膜可緩解電池組溫度不均的問題，溫差由原先的5.2℃降至4.9℃，結(jié)果如圖10所示，電池組的溫度均勻性得到提高。圖10

應(yīng)用石墨烯薄膜后電池組表面溫度分布圖3.3.2石墨烯薄膜對于局部過熱問題電池組的中線位置易出現(xiàn)熱量堆積從而造成局部過熱問題，設(shè)定電池組中出現(xiàn)了3處熱量堆積，如圖11所示，每處熱點(diǎn)加載0.5W的功率，仿真結(jié)果如圖12所示。圖11

電池組內(nèi)部出現(xiàn)的熱量堆積圖12

溫度分布圖局部熱量堆積會使電池組的整體溫度上升，對于未加置石墨烯薄膜的電池組，其最高溫度為35.9℃，溫差為9.6℃；加置石墨烯薄膜后，電池組最高溫度降低0.3℃，溫差降低0.7℃。綜上所述，加置石墨烯薄膜可加速熱傳導(dǎo)，緩解局部過熱問題，降低電池組整體溫度的同時提高其溫度均勻性。3.4優(yōu)化前后對比對采用雙倒U形冷卻通道的液冷式電池組進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化后，相比于優(yōu)化前[圖5(b)]，電池組的最高溫度降低14.9℃，溫差降低7.1℃。電池組工作在相同的功率條件下，其抵抗熱沖擊的能力得到提高。即在同等熱流密度下，電池組的可靠性得以提高。改變鋰離子電池組的放電倍率，優(yōu)化前后液冷式鋰離子電池組中最高溫度及溫差變化如圖13所示。隨著電池放電倍率增大，模塊的最高溫度及溫差隨之增大，優(yōu)化后的液冷式鋰離子電池組性能的改善效果更加明顯。圖13

優(yōu)化前后電池組對比4結(jié)論本工作的優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低電動汽車動力鋰離子電池組的整體溫度及溫差，提高電池組的溫度均勻性，增加電池組的可靠性。從結(jié)構(gòu)合理性、流體和傳熱等