陸 飛 曾義凱

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

0 引言

電動汽車由于在能量效率和節(jié)能減排方面的優(yōu)勢，得到了普遍重視。動力電池是電動汽車的核心部件之一，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、無記憶效應等諸多優(yōu)點[1]，因此廣泛用于電動汽車動力電池。但是，鋰電池對溫度較為敏感，電池運行溫度過高、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大會對電池的性能、壽命、安全性等方面帶來不利影響[2,3]。因此利用電池熱管理系統(tǒng)對電池進行熱量控制，使電池處于適宜的溫度范圍并保持較好的溫度一致性對整個電池系統(tǒng)而言至關重要。Pesaran 認為鋰離子電池最佳的運行溫度范圍是25～40℃，最大溫差應在5℃以下[4]。

電池熱管理技術主要有空冷散熱、液冷散熱、相變材料散熱以及耦合散熱等系統(tǒng)[5,6]。由于空氣的熱導率和比熱容較小，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)失效等問題[7]。利用液體作為介質換熱效率更高，因此，液冷散熱更能滿足鋰電池在大電流、高功率或復雜工況下的散熱要求。安周建[8]設計了一種厚度為3mm 的微通道液冷板，并且通過實驗研究證實了液冷板與方形電池交錯布置時具有良好的散熱性能?；谝豪渖岬奈⑼ǖ酪豪浒褰Y構在方形電池的熱管理中具有極大優(yōu)勢。

本文在上述研究的基礎上，針對一款商業(yè)化方形硬殼鋰離子電池單體展開散熱研究。首先通過實驗研究電池單體放電時的表面溫度特性，為后續(xù)的熱管理工作提供指導，然后設計了具有蛇形流道的液冷板并通過數(shù)值模擬研究了液冷板散熱性能。

1 電池放電熱特性實驗研究

1.1 電池參數(shù)與實驗方案

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

表1 電池基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of battery

實驗中利用新威電池測試儀（型號：5V200ANTFA）對電池進行充放電；利用拓普瑞溫度監(jiān)測儀（型號：TP700-16）測定鋰電池表面溫度，將監(jiān)測儀的K 型熱電偶測溫探頭粘貼在電池表面的測溫點上。電池在厚度方向上為幾何對稱結構，因此僅在電池的一面布置5 個測溫點，5 個測點的分布如圖1所示，測點T1、T2、T4、T5 分別布置在極柱正下方距電池邊緣17mm 處，測點T3 布置在電池中心。

圖1 電池表面測點分布Fig.1 Distribution of measuring points on the battery

實驗時利用空調將室內環(huán)境溫度控制在25℃，電池充滿電后靜置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，放電過程中各儀器記錄數(shù)據(jù)。為保證實驗結果的可靠性，每組實驗重復三次。

1.2 實驗結果分析

實驗的重復性較好，三組實驗數(shù)據(jù)間差距很小，取平均值進行繪圖分析。以五個測點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間的變化。放電時電池內部的生熱反應十分復雜，產熱速率也會發(fā)生變化，從溫升曲線的變化趨勢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更加強烈。電池1C 放電時放電結束時刻表面最大溫度達到39.1℃，比初始溫度25℃升高了14.1℃，整個放電過程中電池溫度勉強維持在最佳工作溫度25～40℃范圍內。2C 放電時，放點開始后電池溫度迅速升高，在600s 左右電池溫度已經(jīng)超過40℃，在放電結束時刻電池已經(jīng)達到55.5℃，遠遠超過電池最佳運行溫度上限40℃。隨著放電倍率的增加電池熱效應迅速增強，電池表面最大溫度升高，這主要是因為電池的歐姆產熱與放電電流成平方關系，高倍率放電使電池產熱迅速增大，此時如不采取散熱措施甚至會導致電池溫度超過安全閾值引發(fā)安全事故。

圖2 電池表面最大溫度Fig.2 Maximum temperature of battery surface

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注。如前文所述電池在2C 放電時具有更強烈的熱效應，因此以2C 放電為例進行分析。如圖3所示為不同放電時期電池表面各測點的溫度。分別以300s、900s、1800s 代表放電前期、中期、后期?？梢杂^察到同一放電時刻各測點的溫度并不相等，電池表面溫度分布不均勻。位于正極正下方的測點T1 溫度最高，其次是位于負極下方的測點T2，距離正極最遠的測點T4 溫度最低。整個電池表面的溫度分布規(guī)律表現(xiàn)為極耳附近溫度最高，與極耳距離越遠的區(qū)域溫度越低。這主要是因為，集流體對電流的匯集作用使正負極極耳附近有更強的熱效應，導致正負極處溫度更高，且電池正極集流體為鋁，負極集流體為銅，鋁的電阻更大，焦耳熱效應更強，所以正極溫度略高于負極。5 個測點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熱的差異導致電池表面溫度分布越來越不均勻。在整個放電過程中電池的表面最大溫差達到5.5℃，已經(jīng)超過允許的最大溫差5℃。

圖3 電池表面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of battery surface

從以上分析可知，高電流放電時無論是電池最大溫度還是溫度均勻性都無法滿足電池的運行溫度要求，因此對于電池而言在高倍率放電下電池熱管理系統(tǒng)至關重要。

2 基于微通道液冷板的熱管理系統(tǒng)

針對方形電池，微通道液冷板由于厚度較薄、結構緊湊、散熱效果良好，是基于液冷的電池熱管理中最常見的散熱結構，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，然后再將蓋板通過壓焊的方式焊接在基板上，形成液冷板。

本文針對所研究的鋰電池設計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熱性能和機械加工特性的鋁作為液冷板材料。液冷板整體的長度、寬度尺寸與鋰電池相同，分別為148mm 和92mm，液冷板厚度為3mm。液冷板結構如圖4所示，其內部具有寬度為3mm、深度為1mm 的蛇形流道，流道的進出口在液冷板同側，橫向的流道共有四條，流道之間的肋寬度為22.5mm。

圖4 液冷板結構示意圖Fig.4 Structural diagram of cold plate with liquid

為簡化起見，本文針對鋰電池單體研究冷卻工況對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，其散熱結構如圖5所示。液冷板中的冷卻工質為水，當電池放電時，低溫工質流過液冷板，帶走電池產生的熱量并將電池的溫度控制在合理的范圍內。由第1 節(jié)的實驗結果可知鋰電池發(fā)熱時正負極極耳處尤其是正極有更強的熱效應，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，液冷板進口靠近鋰電池上方正極極耳位置，低溫的冷卻液首先流過正負極下方，保證電池的高溫區(qū)域優(yōu)先得到冷卻。針對2C 放電時進行散熱研究。為研究冷卻液流量對散熱性能的影響，冷卻液入口溫度固定在25℃，對于一個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℃。

圖5 電池散熱結構示意圖Fig.5 Structural diagram of battery cooling

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、設置模擬參數(shù)、劃分網(wǎng)格并完成數(shù)值計算。

3.1.1 幾何模型與模擬參數(shù)

由于結構的對稱性，為簡化起見創(chuàng)建幾何模型的一半即可。按照圖4 與圖5 以及給出的尺寸建立電池散熱結構的幾何模型。

李騰等人[9]指出，在進行鋰電池熱管理模擬研究中，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)熱功率的均質體。電池在高倍率放電時產生的熱量主要來自于焦耳熱[10]，因此電池作為熱源其內核和正負極極耳發(fā)熱量Q可以按照如下公式計算：

式中，I為放電電流，A；Ri分別為電池內核內阻、正/負極極耳電阻，Ω。電池正/負極極耳材料分別為鋁/銅，據(jù)此計算極耳電阻。電池發(fā)熱量和電池熱物性參數(shù)[11]如表2所示。

表2 電池模擬參數(shù)Table 2 Simulation Parameters of battery

3.1.2 條件設置與網(wǎng)格劃分

模型初始溫度設置為25℃；為排除干擾模型表面設置為絕熱邊界以保證電池熱量全部由冷卻液帶走；流道入口邊界條件設置為充分發(fā)展的流動，出口設置壓力邊界條件，表壓為0Pa；所有流動邊界設置為無滑移壁條件。在最大冷卻液流量90mL/min 下，計算雷諾數(shù)Re可知冷卻液在流道內為層流流動，因此在計算中采用層流模型。求解流動和傳熱問題時由COMSOL 軟件自動耦合計算，求解計算的相對誤差精度設為1×10-6。

模型的網(wǎng)格劃分為自由四面體網(wǎng)格。求解流動問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，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)格的最小單元質量和平均單元質量分別為0.1833 和0.6598，網(wǎng)格總數(shù)量為1435784 個，網(wǎng)格的質量和數(shù)量足以保證計算精度。

首先模擬電池2C 放電時的溫度，驗證電池模型的準確性，模擬中電池T1-T5 測點溫度與實驗中對應測點溫度十分接近，差值在5%以內，因此可以認為本文建立的電池熱模型準確可信。

3.2 模擬結果分析

電池運行時的最大溫度和溫度均勻性是熱管理中的兩項重要指標，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 冷卻液流量對散熱的影響

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，對于電池表面的溫度分布，當冷卻液從入口流入時，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最強，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遠不如正負極區(qū)域強烈，因此此處的溫度是整個電池表面最低的。流體在蛇形流道內流動，當流體流動至負極區(qū)域時已經(jīng)被加熱溫度升高，而負極處熱效應較強，因此負極區(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越多，冷卻液溫度逐漸升高，冷卻效果越來越差，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6 電池表面及中間截面溫度Fig.6 Temperature of battery surface and middle section

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系。很明顯冷卻液流量對散熱性能的影響巨大，如圖7所示當流量為30mL/min 時，電池最大溫度為33.1℃，在整個放電過程中電池溫度升高了8.1℃，而無散熱時電池最大溫度為55.5℃，即便是在較小的流量下液冷板依然能夠將電池最大溫度降低22.4℃并控制在40℃以內。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，發(fā)現(xiàn)隨著流量增加，最大溫度降低時的變化率逐漸變小，這是容易預見的，因為電池初始溫度和冷卻液進口溫度均為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℃。當冷卻液流量為90mL/min 時電池的冷卻效果已經(jīng)足夠好，此時即使再增大流量只會增加泵功損耗而無益于提升散熱性能。如圖8所示，當流量為30mL/min 時，電池最大溫差為3.6℃，與無散熱時電池表面最大溫差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。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。但是當流量繼續(xù)增大時電池溫差降低的幅度變小，溫差趨于穩(wěn)定，當流量為90mL/min 時，溫差為2.2℃，溫差已經(jīng)足夠小，此時再繼續(xù)增加流量對于提高電池的溫度一致性已經(jīng)沒有明顯的效果。而當流量從30mL/min 增加至90mL/min 時，流道內壓降由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增加泵功耗，以上分析可見，對于電池熱管理系統(tǒng)選擇合適的工質流量十分重要。3.2.2 冷卻液入口溫度對散熱的影響

圖7 不同流量下電池最大溫度Fig.7 Maximum battery temperature at different flow rates

圖8 不同流量下電池最大溫差Fig.8 Maximum battery temperature difference at different flow rates

如圖9所示，當冷卻液入口溫度從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℃，而無散熱措施時該值為55.5℃?？梢姡幢闶抢鋮s液溫度較高（35℃）時，液冷板也可將電池溫度冷卻并控制在40℃以內，但是當冷卻液溫度在20℃及以下時，電池的運行溫度反而低于最佳運行溫度的下限25℃，電池運行溫度過低導致其電化學性能變差，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，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)的變化關系。

圖9 不同冷卻液溫度下電池最大溫度Fig.9 Maximum battery temperature at different coolant temperatures

當冷卻液溫度從35℃降低至15℃時，電池的最大溫差保持在2.4℃不變，冷卻液溫度對溫差沒有明顯的影響，溫差保持在一個較小的水平，遠小于最大允許溫差5℃。當冷卻液溫度減小時，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，當冷卻液溫度降低時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性，不會影響電池溫度均勻性，即冷卻液溫度降低時電池的溫差保持不變。

圖10 15℃、35℃冷卻液溫度下電池表面溫度Fig.10 Temperature of battery surface at 15℃,35℃coolant temperature

4 結論

（1）隨著放電倍率增加電池熱效應迅速增強，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)出距正負極越近、溫度越高的溫度分布特點。

（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。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越小。且增加流量會導致流體壓降增大，因此選擇合適的流量對于電池熱管理系統(tǒng)十分重要。

（3）冷卻液溫度影響電池整體的溫度高低，但是不會影響電池的溫度分布均勻性。冷卻液進口溫度降低時，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。