王 翔，徐 晶，丁亞軍，丁 凡，徐 鑫

（揚州大學，江蘇 揚州 215000）

電池模組中各電池內部溫度的均勻性是衡量電池性能的一項重要指標，溫度差異越大，各電池模塊之間內阻及容量差異就越大[1-3]。長時間循環(huán)使用之后，由于老化程度不同，極易出現(xiàn)電池過充過放現(xiàn)象，從而降低電池的壽命與性能，且更有可能導致安全問題[4]。因此，動力電池并不能僅依靠優(yōu)化單體電池的內在各項屬性，更需要匹配有相應的冷卻系統(tǒng)，控制電池模組溫度，才能使其在最合適的溫度范圍內工作[5]。學者們建立了大量熱力學模型且應用到電池熱管理的研究中[5-7]。林裕旺等[8]將復合相變材料用于電池模組的熱管理，并通過仿真證明在40 ℃下以3 C 放電的工況下可以將MTBM 控制在50 ℃，MTDBM 不超過1 ℃。袁航等[9]與干年妃等[10]通過在液冷管道上添加鋁塊來增加接觸面積的方法來提高電池模組內溫度的均勻性，結果發(fā)現(xiàn)該方法可以有效降低電池模組內的溫差。李瀟等[11]提出一種對角雙向流道的液冷板結構，結果表明該結構最多可將溫差降至1 ℃。馮能蓮等[12]開發(fā)了一種蜂巢式液冷電池模組，并通過在40 ℃下以1 C 進行放電的實驗，發(fā)現(xiàn)即使流量大于1 L/min，電池模組內的溫差也小于5 ℃。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，在液冷電池模組中過大的溫差是限制其發(fā)展的瓶頸。因此，本文從ICF、ICT、LFCH 以及CALB 對散熱性能的影響進行研究，采用VCALB 對液冷板進行優(yōu)化，降低MTBM的同時減小了MTDBM。

1 熱仿真模型

1.1 數(shù)學模型

本文通過Bernard 提出的生熱率模型來計算產(chǎn)熱率Q，表達式如下

其中，I是電流強度；Vb是電池體積；U是電池端電壓；U0是開路電壓；T是電池溫度；

基于式(1)可以推導出正極端以及負極端的產(chǎn)熱率Qe為

其中，Re是正極端或負極端的電阻；Ve是正極端或負極端的體積。

基于式(1)也可以推導出極柱的產(chǎn)熱率Qt為

其中，Rt是極柱電阻；Vt是極柱體積。

冷卻液的能量守恒公式為

其中，ρw是冷卻液密度；cw是冷卻液比熱容；Tw是冷卻液溫度；kw是冷卻液導熱系數(shù)；v是冷卻液速度矢量。

冷卻液流動的質量守恒方程和動量守恒方程為

其中，P是壓強；μ是冷卻液運動黏度。

1.2 三維結構模型

本工作針對42個18650型圓柱鋰電池以3P14S形式成組在30 ℃以2.5 C 進行放電的工況進行研究，該電池模組中的電池交錯排布，如圖1 所示。其中將18650 圓柱鋰電池簡化成由正極端、負極端、極柱三部分組成，且將各部分看作是由單一材料構成的均勻體。

1.3 仿真參數(shù)設置

圖1電池模組結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of battery module structure

本文針對不同ICF、ICT、LFCH以及CALB下電池模組的散熱性能進行對比分析，具體見表1。其中，電池模組的初始環(huán)境溫度設置為30 ℃，液冷板材料選用鋁，熱輻射系數(shù)值選定為0.2，與液冷板不接觸部分采用自然對流，冷卻液選用50%的乙二醇水溶液。電池模組內各單體電池均從SOC=100%時以2.5 C 的放電倍率恒流放電至額定截止電壓2.75 V。其中，單體電池的產(chǎn)熱率是基于式(2)和式(3)編寫出的UDF來設置的，具體方法在前期的研究[13]中已有體現(xiàn)，本文不再贅述。電池與液冷板接觸面積的換熱系數(shù)的設置是基于式(4)～(6)得出。

表1 熱力學仿真中變量參數(shù)的設置Table 1 Setting of Variable Parameters in Thermodynamics Simulation

1.4 實驗驗證

本次研究對象為18650型圓柱鋰電池，實驗臺架包括18650型鋰電池若干、1個330-00A 恒溫箱、3 根K 型熱電偶、1 個RS20K-C 熱電偶溫度變送器、1 個TEC-80K 型大功率電子負載、1 個自制電池測試架、1個電池內阻測試儀、2個USB轉485數(shù)據(jù)采集器以及一臺筆記本電腦。330-00A恒溫箱用于模擬恒溫環(huán)境，RS20K-C 熱電偶溫度變送器用于采集電池的表面溫度，USB轉485數(shù)據(jù)采集器用于接收或發(fā)送信號，TEC-80K 型大功率電子負載用于對鋰電池以不同放電倍率進行恒流放電，電池測試架用于固定電池，筆記本電腦用于采集處理數(shù)據(jù)，具體的性能參數(shù)如表2所示。

表2 實驗儀器性能參數(shù)表Table 2 Experimental instrument performance parameter table

圖2為單體電池熱力學實驗原理圖。具體實驗流程如下：首先將電池分別以0.5 C 恒流充電至截止電壓4.20 V，并在25 ℃恒溫環(huán)境下靜置一小時后再進行后續(xù)實驗。將電池固定在恒溫箱內電池測試架上，通過溫度采集模塊對電池表面三個溫度測試點進行監(jiān)測。當三個測試點溫度均與目標溫度的誤差在1 ℃內時，分別在25 ℃恒溫環(huán)境下以2.5 C對電池恒流放電至截止電壓2.75 V。為了便于數(shù)據(jù)的分析處理，本文選用三個測試點的平均值作為測試結果。

圖2 熱力學性能實驗原理圖Fig.2 Schematic diagram of thermodynamic performance experiment

圖3為單體鋰電池在25 ℃以2.5 C恒流放電時仿真與實驗的對比。從圖中可知，通過實驗對單體電池的熱力學仿真模型進行驗證，發(fā)現(xiàn)單體鋰電池在放電過程中仿真溫度與實驗溫度的最大絕對誤差值為2.8 ℃，最大誤差率為4.8%，滿足實際使用的精度要求。因此可以推廣到電池模組的熱力學仿真模型中使用，并且具有較高的精度。

圖3 單體鋰電池仿真溫度與實驗溫度的對比Fig.3 Comparison of simulated temperature and experimental temperature of single lithium battery

2 不同參數(shù)下的熱仿真結果分析

從圖4可知，當ICF為5、10、15、20 g/s時，MTBM 分別為41.48、39.59、38.76、38.34 ℃，MTDBM分別為6.01、4.73、4.35、4.14 ℃。ICF每增加5 g/s，MTBM分別降低1.89、0.83、0.42 ℃，MTDBM分別降低1.28、0.38、0.21 ℃。由此可知，在一定范圍內增加ICF會使得MTBM和MTDBM降低，但降低幅度不斷減小且趨近于零。這是因為隨著ICF的增加，冷卻液帶走的熱量也趨近于一個極限值，過量地增加ICF 不但對換熱效率的提升很小，反而會使得流道進出口壓差增大，增加冷卻系統(tǒng)的工作負荷。

圖4 不同ICF下的散熱性能對比Fig.4 Comparison of heat dissipation performance under different ICF

從圖5中可知，當ICT為25、22.5、20、17.5 ℃時，MTBM分別為41.51、39.86、38.21、36.56 ℃，MTDBM分別為6.01、6.35、6.70、7.04 ℃。ICT每降低2.5 ℃，MTBM均降低1.65 ℃，但MTDBM分別升高0.34、0.35、0.34 ℃。雖然降低ICT 可以明顯地降低MTBM，但也會導致MTDBM變大。冷卻液溫度越低，與換熱界面的溫差也就越大，換熱效率也就越高，但會使得進出口處溫差變大，導致出口處冷卻液的換熱效率要遠低于入口處，使得電池模組內溫差變大。

圖5 不同ICT下的散熱性能對比Fig.5 Comparison of heat dissipation performance at different ICT

從圖6中可知，當LFCH為35、40、45、50 mm時，MTBM分別為44.87、43.44、42.38、41.51 ℃，MTDBM分別為5.26、5.62、6.01、6.41 ℃。LFCH每增加5 mm，MTBM分別降低1.43、1.06、0.87 ℃，但MTDBM 分別升高0.36、0.39、0.40 ℃。增加LFCH 可以降低MTBM，但隨著LFCH 的增加，對換熱效率的提升效果越來越差。這是因為增加LFCH，使得換熱面積增加，因此散熱量更大。LFCH 的增加使得電池模組溫度均勻性惡化，溫差進一步擴大。

圖6 不同流道高度下的散熱性能對比Fig.6 Comparison of heat dissipation performance under different LFCH

從圖7 中可知，當CALB 為60 °、65 °、70 °、75°時，電池模組內的MTBM分別為42.11、41.51、40.96、40.50 ℃，MTDBM 分 別 為5.87、5.96、6.02、6.07 ℃。CALB 每增加5 °，MTBM 分別降低0.60、0.55、0.46 ℃，MTDBM 分別升高0.09、0.06、0.05 ℃。隨著CALB的增大，MTBM不斷降低，但與降低的溫度值成反比，且溫差會不斷增加。這是因為增大CALB會增加蛇形管與電池表面的接觸面積，從而提高散熱效率，但也會導致冷卻液在出入口溫差過大的問題。

圖7 不同CALB下的散熱性能對比Fig.7 Comparison of heat dissipation performance under different CALB

3 液冷管道優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，采用液冷系統(tǒng)進行散熱，雖然能夠有效控制電池的溫升速度，但因液冷管道沿程較長，會造成電池組出現(xiàn)較大的溫度差。在上述仿真分析中，電池模組的溫差均大于4.6 ℃，需要進一步優(yōu)化，以降低電池組單體電池之間的溫差。由于改變ICF對溫度控制溫升有限，且增加流量會提升水泵的泵壓和能量損耗。然而增大LFCH、CALB 或者降低ICT 反而會使得溫差進一步擴大。因此，通過適當降低冷卻液上游吸收的熱量，以此提升下游冷卻液的換熱效率?；谏鲜霾⒕C合考慮加工成本，本文選用VCALB 對液冷管道進行優(yōu)化。如圖8 所示，CALB 按照冷卻液流向從65°增大到75°，每一排均采用不同的CALB。

圖8 VCALB液冷管道結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of VCALB liquid cooling pipeline structure

3.2 優(yōu)化結果

圖9為在環(huán)境溫度為30 ℃、入口流量為5 g/s、入口溫度為25 ℃、流道高度為50 mm 時，CALB為75 °和VCALB 下電池模組以2.5 C 進行放電的MTBM 與MTDBM 的對比。從圖中可以可看出，CALB 為75 °恒 定 值 時 的MTBM 為40.50 ℃，MTDBM為6.07 ℃；優(yōu)化后的VCALB時的MTBM為38.47 ℃，MTDBM為3.60 ℃。優(yōu)化后的MTBM降低了5.01%，MTDBM 降低了40.69%。因此，VCALB 液冷管道在降低電池模組內溫差方面比恒定CALB液冷管道更加優(yōu)秀。

圖9 優(yōu)化前后散熱性能對比Fig.9 Comparison of heat dissipation performance before and after optimization

4 結 論

本文通過仿真研究了ICF、ICT、LFCH 以及CALB對電池模組內MTBM和MTDBM的影響，并采用VCALB對電池模組液冷管道進行優(yōu)化，結論如下。

（1）在一定范圍內增加ICF、LFCH、CALB可以減小MTBM，但超出范圍后對換熱效率的提升將趨近于零。

（2）增加LFCH、CALB 以及降低ICT 在減小MTBM的同時，會使得模組內的溫差迅速升高。

（3）采用VCALB 液冷管道可以有效解決原有恒定CALB 液冷管道電池模組內溫差過大的問題，在相同工況下溫差降低了40.69%。