动力电池液冷系统设计及其场协同优化

成亚仙，霍为炜，郭陈栋，王 刚

（1.北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192；2.新能源汽车北京实验室，北京 100192；3.中国质量认证中心，北京 100070）

1 引言

动力电池作为纯电动汽车的主要元件构成，其工作温度对于电池的使用性能有很大影响［1］，在合理的温度工作范围内有助于增长电池使用寿命［2］。因此，设计良好的动力电池热管理系统，可以保证电池在特殊工况与环境下仍维持在合适的工作温度［3］。

目前电池组冷却方式［4］有风冷、液冷、相变冷却和热管冷却等。液冷系统由于其良好的冷却效果和比较成熟的控制方法使其成为热管理方式最具商业化的其中之一［5］，也是学者们关注的重点。文献［6］使用电子阀门技术比较串联和并联冷却液回路，为平行的冷却液回路提供了一种新方法，该方法缩小了不同模块中电池的温度差异。文献［7］研究发现调整与优化冷却液温度和流速等参数可以将电池组表面温度和温差降低，在5C倍率放电时效果为最佳；文献［8］研究的电池模块液冷系统为一种蜂巢式结构，该电池模块呈蜂巢式液冷板的结构上面设有进出口，使冷却管道和电池组之间为360°环绕间接接触，大幅度加强了换热效果；文献［9］通过改变液冷系统的冷板布置，使主散热方向上的导热系数优化至6W（/m·k）以上来增强电池冷却系统的散热效果。综上所述，众多研究者是根据冷板散热装置结构和参数优化的角度来分析电池冷却系统的散热效果。

以磷酸铁锂电池组为研究对象，运用计算流体力学CFD［10］建立锂离子电池组和液冷管道三维模型，通过对冷却管数量、冷却液入口温度、流速和管道入口分布四个变量下的电池组温度场进行仿真，从场协同原理分析速度场和温度场对电池散热的协同作用，进而得出该液冷系统的冷却效果。

2 场协同原理介绍

文献［11］针对传统传热学关于强化传热的理论，从流场和温度场两个矢量场自身和相互之间配合的角度，提出关于强化传热的新理论—场协同原理。

二维层流边界层的方程为：

壁面处的热流积分为：

式中：ρ、cp、λ—流体密度、比热和导热系数；u、v—x和y方向的速度；T—温度；δt—边界层厚度。

局部场协同角，利用下式求解：

体积平均协同角：

场协同示意图，如图1所示。速度与温度梯度完全协同的两种情况：图1（a）中协同角为0°，流体加热；图1（b）中协同角为180°，流体冷却。

图1 场协同示意图Fig.1 Field Synergy Diagram

3 动力电池模型建立

以磷酸铁锂电池为研究对象，单电池容量为19.6Ah。对磷酸铁锂电池计算模型进行简化，简化后的模型仅保留电池正负极端、电池芯等部分，电池单体长宽高为（160×7.25×227）mm，质量0.496kg。将10个单电池组成一个动力电池组，其结构，如图2所示。

图2 电池散热系统结构模型Fig.2 Battery Pack Structure Model

箱体的长宽高为（180×140×247）mm，电池与电池之间留有5mm空隙。电池的热物性参数，如表1所示，其中，λx、λy、λz为x、y、z三个方向上的平均导热系数，冷却液参数［12-13］，如表2所示。电池散热系统采ICEM软件划分为六面体网格，如图3所示。总网格数量约为100万个。

表1 电池的热物性参数Tab.1 Thermal Physical Parameters of the Battery

表2 冷却液的热物性参数Tab.2 Thermal Physical Parameters of the Coolant

图3 电池组网格模型Fig.3 Battery Pack Mesh Model

外界初始温度为25℃，液体流动模型为k-ε湍流模型。边界条件有：入口、出口和固体壁面边界。流体与固体的接触面为流固耦合传热边界，冷却液入口为速度入口，冷却液出口为压力出口。电池为发热源，对于其内源热的设定，在fluent软件中对其产热量设定通过UDF程序编译。

4 仿真分析及参数优化

通过调整冷却管道数量、冷却液入口温度、流速和流道分布等四个参数，对冷却模型进行仿真，利用场协同原理［14］仿真分析以上变量对电池液冷系统冷却性能的影响。

4.1 冷却管道数量对冷却性能的影响

在不改变管道接触的散热面积，仅改变冷却管数量的前提下，一般液冷系统的冷却管以6根居多，为了研究冷却系统的散热均匀性设置其数量分别为6、8、10根。模型中6根散热管道结构，如图4所示。仿真得到电池模组截面温度云图，如图5所示。在不同管道参数下仿真得到的温度数据，如表3所示。

表3 不同管道数量温度数据Tab.3 Temperature Data of Different Number of Cooling Pipes

图4 6根冷却管道模型图Fig.4 Model Diagram of 6 Cooling Pipes

图5 电池组在6、8、10根冷却管道下的温度云图Fig.5 Temperature Contours of Battery Module in 6，8 and 10 Cooling Pipes

从表3中可以看出，8根冷却管系统的电池组表面温度最小为37.72℃，而温差最小的是10根冷却管道为4.46℃。从冷却效果来看，冷却管道数量增加与电池温度降低并不是呈正相关。这是由于冷却管道与电池表面接触面积分布均匀使电池组表面温度不易下降，而冷却液在电池组表面分布越均匀其温差便会越小。可以观察到电池组降温效果最佳为8根管道，温度分布最均匀为10根管道，该结构具有较好的一致性。

4.2 冷却液温度对冷却性能的影响

将液冷系统入口流速设定为1L/min，在上述模型中选取10根冷却管道的散热结构，如图6所示。其温度监测点，如图7所示。其中①处为温度与协同角最高点，故选取它来进行研究对比。对冷却液温度在15℃、20℃、25℃时仿真，其仿真结果，如图8所示。

图7 监测点分布图Fig.7 Distribution Map of Monitoring Points

图8 不同温度下电池组温度云图Fig.8 Temperature Contours of Battery Module with Different Temperatures

由图8可知，在一定范围内，冷却液温度降低与电池模组的最高温升呈负相关；由表3可知，电池组表面的最高温度分别为34.24℃、37.72℃、39.59℃。由此可知，降低冷却液温度可以有效减小电池组表面温度，但也放大了电池组内部的温差，因此无法完全改善电池组的整体冷却效果。

不同冷却液温度下，协同角在中心截面的分布，如图9所示。从图中可以看出，整体电池组截面的协同角普遍偏大，电池组内部热对流现象还有巨大优化空间。根据式（3）对截面进行积分可以得到不同流速下电池组平均协同角，如表4所示。如表所示，随着冷却液温度降低，温度梯度与速度的夹角在减小。

表4 监测点①处不同冷却液温度数据Tab.4 Temperature Data of Different Coolant at Monitoring Point

图9 电池中央截面的协同角分布Fig.9 Synergistic Angular Distribution of the Central Section of the Battery

4.3 流量对冷却性能的影响

为了研究冷却液流量对该电池组液冷系统冷却性能的影响，将冷却液入口流量分别设定为1L/min、1.5L/min、2L/min。仿真结果，如图10所示。

图10 不同流量下电池组温度云图Fig.10 Temperature Contours of Battery Module with Different Flow Rates

由图10可知，在冷却液流量持续增加中，该电池组的表面温度整体在下降，冷却性能也逐步得到提高。随着冷却管道中液体流量的增多，冷却液的流速也随之提高，冷却液中的热交换能力也得到了提升。

不同流速下的温度对比，如表5所示。当流量为1L/min通过1h 放电的模组时，最高温度达到39.59℃，流量为1.5L/min 时为36.52℃，流量为2L/min时达到34.17℃。电池组温度随着冷却液流量的增加而降低，变化趋势基本上保持不变；温差随着流量的增加而缓慢升大。

表5 不同流速下温度数据Tab.5 Temperature Data at Different Flow Rates

这是因为锂离子模块和冷却液之间的热交换随着冷却流量的增加趋于逐渐平衡反应，有效在一定程度上增大流量改善该电池组的冷却效果。

协同角在电池中央截面的分布，如图11所示。从图中可以看出，在层流领域随着流量的增大，冷却管中液体的流速矢量和温度梯度矢量的协同角有所降低，有利于电池组通过增进流量进行散热。

图11 不同流量下协同角的分布Fig.11 Synergistic Angular Distribution in Different Flow Rates

4.4 不同流道对冷却性能的影响

根据冷却管道流体的协同分析可知，在不改变流道结构的情况下，只增加管道流速，换热强度的增加并不明显。因此，本节在场协同理论的指导下采用并行式多流道的方法进行设计和分析。其模型结构为s串行和多s并行来实现多入口形式。

三种冷却液出入口流道结构，如图12所示。

图12 不同流道结构图Fig.12 Structural Diagram of Different Flow Channels

当采用三入口结构时，电池组温度分布合理性明显优于其他两种结构，如图13所示。不同进出口结构下温度数据比较，相比单入口结构，三入口结构最高温度与内部最大温差均为最佳，如表6所示。可见在一定范围内，多入口模式有利于电池组温度均匀性以及电池冷却。

表6 不同进出口结构温度数据Tab.6 Temperature Data of Different Inlet and Outlet Structures

图13 电池组温度云图Fig.13 Temperature Contours of Battery Module

5 结论

在所建立的原模型基础上，设计了不同冷却管道流道。通过对不同流道结构的模型进行仿真，以及调整冷却液流量、冷却液温度、流道进出口参数，结果表明：冷却液温度和流量参数对冷却效果影响较大，在一定范围内，合理冷却液降低温度与增大流量可降低电池组表面的最高温度。

通过仿真可以得出，冷却液进口多的方案能够在一定程度上减小该电池组的最大温差。

最后，根据场协同原理，详细地阐述了在不同的流量、不同冷却液温度下，对并行式多流道的冷却性能，对于单流道进行了解释；分析和优化了多进出口电池模型的冷却性能，为动力电池液冷协同设计及优化提供了理论基础。