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平面热管与液冷作用下锂离子电池热管理系统散热特性

  江苏大学汽车与交通工程学院   2021-04-14 次浏览

摘要:锂离子电池的工作温度需要保持在合适的范围内,才能获得更好的性能和更长的使用寿命。提出了一种平面热管与液冷相结合的锂离子电池热管理系统,通过搭建的锂离子电池发热功率测试平台确定不同放电倍率下单体电池的发热功率,建立热管理系统三维有限元模型,分析不同放电倍率、冷却液流量及冷却液流动方向对散热性能的影响。结果表明,在3 C放电倍率下,最高温度可以控制在50 ℃以下。与相同进液方向相比,不同进液方向下电池包最大温差降低了17.30%。

锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度和较长的循环寿命,已广泛应用于电动汽车和混合动力汽车中[1,2],但电池的温度影响其使用寿命、效率和安全性,制约锂离子电池的推广与应用[3,4]。锂离子电池在工作过程中,内部电阻及化学反应会产生大量的热量,若不及时传导出去,热量的积聚会使得电池温度过高,严重时会引发电解质起火甚至爆炸等危害[5]。因此,电池热管理系统在研究领域和电动汽车制造商中得到了广泛的关注。电池的最高温度和温差是评价电池热管理系统性能的主要指标,锂离子电池在25~40 ℃的温度范围内可以保持最佳性能和使用寿命[6],同时,将温差控制在5 ℃以下[7],保证单体电池之间的温度的一致性。

随着电池能量密度及充放电倍率的提高,电池的使用工况越来越复杂,对电池热管理系统提出了更高的要求。用于电池热管理系统的导热介质包括空气、液体及相变材料[8]。空气冷却系统相比液冷及相变冷却系统,结构简单、成本低且易于维护,然而在快速充放电等苛刻的运行条件下,空气冷却系统很难满足散热要求。由于液体比空气具有更高的导热系数,基于液体的电池热管理系统可以获得更高的冷却速率。Chen等[9]比较了不同冷却系统的散热性能。结果表明,间接液体冷却系统的温升最低,且结构简单、易于实现。Huo等[10]提出了一种基于微通道冷板的动力电池热管理系统。结果表明,基于微型通道的冷却系统中,电池的最高温度随着液体的流量和通道数量的增加而降低。近年来,由于热管导热系数高、结构紧凑、几何形状灵活等特点,基于热管的电池热管理系统得到了广泛的研究。Rao[11]对采用热管的电池热管理系统进行了实验研究,当发热功率低于50 W时,电池的最高温度可以控制在50 ℃以下。

现提出一种平面热管与液冷相结合的锂离子电池热管理系统,平面热管作为冷却液与电池之间的导热元件,可将电池产生的热量迅速传递至热源外,并最终由水管中的冷却液带走。采用数值计算的方法,建立热管理系统三维有限元分析模型,研究不同放电倍率、冷却液流量及冷却液流向对电池包散热性能的影响,可以为电池热管理系统的设计提供指导。

1 电池发热功率测试

1.1 实验准备

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图1 主要实验设备
Fig.1 Main experimental equipments

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图2 温度传感器布置示意图
Fig.2 Layout of temperature sensors

电池发热功率测试是电池热管理系统设计的基础[12]。为了研究充放电条件下锂离子电池的发热功率,搭建了锂离子电池发热功率测试平台,主要设备如图1所示。包括恒温箱、电池充放电设备、温度传感器等。电池为55 A·h磷酸铁锂电池;温度传感器为贴片式热电偶,分别布置在电池表面各测点上,并用胶带将其固定,电池表面温度传感器布置位置如图2所示。恒温箱为无锡索亚特试验设备有限公司生产的小型高低温湿热交变试验箱;电池充放电设备为宁波拜特测控技术有限公司生产的动力电池检测设备。

1.2 电池发热功率测定

根据测试结果所记录的不同充放电倍率下电池的温升与充放电时间,计算电池的发热功率P

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(1)

式(1)中:C b为单体电池的比热容,J·kg-1·K-1;m为单体电池的质量,kg;ΔT为单体电池的温升,℃;t为充放电时间,s。

表1为不同充放电倍率下电池的温度,表2为根据温度数据计算的单体电池平均发热功率。

表1 不同充放电倍率下锂离子电池温度

Table 1 Temperature of lithium-ion battery at different charge and discharge rates

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表2 不同充放电倍率下锂离子电池发热功率

Table 2 Thermal power of lithium-ion battery at different charge and discharge rates

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2 数值计算方法与物理模型

2.1 数值计算方法

2.1.1 计算流体力学控制方程

流体在流动的过程中满足质量守恒、动量守恒及能量守恒方程。冷却液可以看作是不可压缩的流体,其物理参数恒定。根据入口边界条件,采用k-ε湍流模型。控制方程如下。

连续性方程:

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·V=0

(2)

动量守恒方程:

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2V

(3)

能量守恒方程:

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(4)

式中:

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为哈密顿算子;V为速度矢量,m·s-1;p为冷却液压力,pa;ρ为冷却液密度,kg·m-3;μ为冷却液动力黏度,N·s·m-2;cp为冷却液比热容,J·kg-1·K-1;E为总能量,J;uvw分别为x轴、y轴、z轴方向的流速,m·s-1;λc为冷却液导热系数,W·m-1·K-1;τ为时间,s。

2.1.2 电池导热微分方程

电池的温度场根据能量守恒定律和傅里叶定律确定,通过微元平行六面体分析电池的导热热平衡,如图3所示。

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图3 微元体的热平衡
Fig.3 Thermal equilibrium of microelements

流入微元体的热流量可分解成x轴、y轴、z轴方向的热流分量ΦxΦyΦz,流出的热流量可分解为Φx+dxΦy+dyΦz+dz,根据傅里叶定律可得:

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(5)

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(6)

式中:T为温度,K;λ为电池导热系数,W·m-1·K-1。

根据能量平衡方程可得:

Φx+

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(7)

式(7)中:

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为单位时间内单位体积中内热源生热,W·m-3;ρb为单体电池密度,kg·m-3。

电池的非稳态导热微分方程为

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(8)

2.2 物理模型

研究对象是由3个模组组成的电池包,单个模组由12个单体电池串联组成。电池内部为层叠结构,若按实际层叠结构进行建模,将需要巨大的计算资源。所以在建立单体电池模型时,对其进行合理简化,其具体尺寸为138 mm×148 mm×93 mm。热管理系统模型如图4所示,热管理系统采用液体冷却方式,3个模组分别布置在平板热管上,平面热管与冷却液管道连接。

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图4 热管理系统物理模型
Fig.4 Physical model of thermal management system

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图5 两种冷却液进液流向
Fig.5 Two kinds of coolant inlet flow

图5为两种冷却液进液方式示意图。热量从电池传导至平面热管,热管通过热传导及相变传热,将电池产生的热量迅速传递至热源外,并最终由水管中的冷却液带走平板热管传导的热量。

2.3 初始条件和边界条件

整个模型的初始温度与环境温度均设置为27 ℃(300.15 K)。入口设置为速度入口条件,流量设置为300 L/h,冷却液温度为27 ℃。出口设置为压力出口条件,数值为0 Pa。由于电池包内部为密闭空间,内部空气流动性差,电池包内部的热量主要有平面热管带走,因此忽略电池与空气的对流换热。平面热管的导热率为7 732 W/(m·K)[13]。

3 结果与讨论

电池放电倍率、冷却液流量及冷却液流动方向是影响锂离子电池组散热性能的重要因素。现基于这3个因素,以锂离子电池组的最大温升和最大温差作为评价其散热性能的指标。

3.1 不同充放电倍率下散热性能分析

图6为在1、2、3 C放电倍率下,电池模组的温度分布云图。冷却液入口处的模组温升小,冷却液出口处的模组温升最大,且最高温度集中在模组的中上部分。这是由于随着冷却液的流动,出口处的冷却液温度提高,热传导效率降低。

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图6 不同放电倍率下电池包温度分布
Fig.6 Temperature distribution of battery pack under different discharge rates

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图7 不同放电倍率下电池包温差曲线
Fig.7 Temperature difference curves of battery pack at different discharge rates

图7为1、2、3 C放电倍率下,电池包温差曲线。在1 C放电结束,电池包的最高温度为37.26 ℃,最大温差为4.23 ℃。在2 C放电结束,电池包的最高温度为41.41 ℃,最大温差为6.33 ℃。在3 C放电倍率下,电池包的最高温度为46.57 ℃,最大温差为8.43 ℃。结果表明,随着放电倍率的增加电池包的温度及温差逐步增加。

3.2 不同冷却液流速下散热性能分析

选取3种冷却液流速,分析2 C放电倍率时热管理系统的散热性能。由于冷却液具有相同的流动方向,冷却液入口处的模组温升较小,冷却液出口出的模组温升最高。图8为不同流速下电池包的温差。进口流量为400 L/h时,电池包最高温度为40.28 ℃,温差为4.94 ℃。随着入口流量增加到500 L/h,最高温度下降到40.05 ℃,温差为4.62 ℃。当质量流量从300 L/h增加到400 L/h时,温差降低21.58%。当质量流量从400 L/h增加到500 L/h时,温差仅降低6.48%。因此,增加流量可以一定程度降低最高温度及温差,但随着流量的增加,最高温度及温差下降趋势变缓。

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图8 不同流速下电池包温差曲线
Fig.8 Temperature difference curves of battery pack at different flow rates

3.3 不同进液流向下散热性能分析

在相同的入口流动方向下,模组之间的温度分布是不均匀的。冷却液出口模组温度较高,散热性能差。随着冷却液流量的增加,散热性能得到改善,但模组之间温度分布不均匀,温差较大。

图9为2 C放电倍率下,不同进液流向下电池模组的温度分布云图。单个模组的温度分布基本相同,最高温度集中在模组的上部。图10为两种进液方式下电池模组的温差,不同进液流向下,电池包的最高温度为41.15 ℃,与相同进液流向下电池包的最高温度基本一致,但温差降至5.21 ℃。

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图9 不同进液流向下电池包温度分布
Fig.9 Temperature distribution of battery pack under different inlet flow directions

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图10 两种进液流向下电池包温差曲线
Fig.10 Temperature difference curve of battery pack under two input flow directions

4 结论

提出基于平面热管与液冷相结合的锂离子电池热管理系统,建立了三维有限元模型,通过搭建的锂离子电池发热功率测试平台确定不同放电倍率下单体电池的发热功率,分析了该模型在不同放电倍率、流量及冷却液流动方向对散热性能的影响。主要结论如下。

(1)由于平面热管的超导热特性,该热管理系统可将电池产生的热量迅速传递至热源外,并最终由水管中的冷却液带走电池产生的热量。冷却液管道可布置在电池包外部,即使在泄露的情况下也不会影响动力电池的安全及性能。

(2)增加质量流量可以一定程度降低最高温度及温差,但随着流量的增加,最高温度及温差下降趋势变缓。在2 C放电倍率的情况下,流量从400 L/h增加到500 L/h时,温差仅降低了6.48%。

(3)不同冷却液流向与相同进液流向相比,模组的最高温度基本一致,但温差下降了17.30%。因此采用不同的冷却液流向可以有效降低模组温差,提高单体电池之间温度的一致性。


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