变接触面液冷系统的电池模组温度一致性研究.docx

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1、变接触面液冷系统的电池模组温度一致性研究干年妃孙长乐刘东旭雷富强要：为了使电池系统单体间的温度具有较好的一致性，设计了一种在单体间隙中填充铝柱的液冷热管理系统，建立了单体的电化学-热耦合模型，对比研究了不同入口流速、不同截面边长和高度组合的铝柱液冷系统对电池热性能的影响.研究结果表明，截面边长和高度梯度变化的铝柱液冷系统的冷却性能和单体间的温度一致性都要优于截面边长和高度为定值的系统.在放电倍率为3 C,入口流速为0. 10 m/s时，此组合方式下电池模块中单体间的最大温差保持在3.72 以内，满足电池系统热管理的需求.最后，针对此模型对不同放电倍率进行了仿真验证，结果显示单体间温度具有较好的

2、一致性.Key：锂离子电池；电池热管理;液冷；变接触面；温差Abstract： It is far more difficult to reduce the temperaturedifferences among cells in a battery module than to reduce themaximum temperature of module. In order that the cells can havebetter temperature distributing conformity, this paper designed a1iquid cooling therm

3、al management system by packing aluminum columnin the gaps among the cells and set up an electrochemical-thermalcoupling model for the cells. Comparative study of the impacts on thethermal properties of the cells exerted by liquid cooling system ofaluminum columns under the combination modes of diff

4、erent entrancevelocity, different section length and height was also conducted. Theresults indicated that the cooling performance of the aluminum columnliquid cooling system with gradient variation of cross-section lengthand height and the temperature distributing conformity among thecells were bett

5、er than those with the fixed values of section lengthand height. Under the condition that the discharge rate was 3C andthe entrance velocity was 0. 1 m/s, the maximum temperature differenceamong the cells in the module group based on the proposed couplingmodel was kept within 3. 72 , meeting the req

6、uirements of thermalmanagement of the battery system. Finally, different discharge rateswere verified through the simulation based on this model, indicatingthat the cells had better temperature distributing conformity.Key words： lithium ion battery；battery thermal management；liquidcooling；variable c

7、ontact surface；temperature difference伴随着全球石油短缺和环境污染的巨大压力，新能源汽车由于在节能减排和环保方面相对于传统车辆有明显的优势，近些年已呈现爆发式的增长.发展新能源汽车在全球也已成不可逆转之势，世界主要汽车生产国家纷纷制定了将全面禁售燃油车的时间表.以锂离子电池为动力源的纯电动汽车作为新能源汽车的主要发展方向之一受到了各国政府和主要汽车制造商的大力扶持和推动1,锂离子电池具有较高的能量密度和较长的循环寿命，是新能源汽车，尤其是纯电动汽车的理想动力源.温度对电池寿命和工作性能产生重要影响，其中最高温度和温度一致性是影响电池寿命和工作性能的最重要的两

8、个因素2.在充放电过程中，过高的温度会导致电池破裂、失火甚至爆炸，而在低温环境下，动力电池内部的内阻增大，电池的充放电容量急剧降低，在低温环境下使用电池，曾增加电池的耗损，降低电池的使用寿命3.因此，为了将电池温度控制在可接受范围内，并在充放电过程中保持单体间均匀的温度分布，就需要对电池进行热管理(BTM) 4.先前的学者对电池热管理方面已经做了大量的研究，包括电池单体生热模型的建立5-8、冷却结构的布置、冷却材料的选择等等9-10.就目前而言，根据冷却介质，电池热管理可分为空冷、液冷、相变材料冷却和热管冷却，以及多种方式的耦合冷却.由于空气冷却的冷却性能有限，不能满足充放电倍率较大的电池系统

9、的散热要求，而相变冷却虽然冷却性能良好，但其复杂的结构和成本限制了其在实际中的应用11L因此，对于高充放电率、高产热率的电池组而言，液体冷却具有明显的优势12.方形电池的液冷设计往往通过冷却板或直接浸入液体介质中来实现13.微通道液体冷却被广泛应用到方形电池的热管理中14T7. Qian等人18研究了不同微通道数量及入口方向对电池冷却性能的影响;Xie等人19提出了一种Y形微通道冷却系统;Salimpour等人20设计了一种环形的冷却结构，并对其进行了优化;Deng等人21研究了蛇形微通道的管道数和温度一致性的关系.相对于方形电池，圆柱形电池模组液冷系统的研究相对较少.Zhao等人22在充放电

10、过程中，采用带有液体流动的波状通道对圆柱形电池模组进行冷却；胡兴军等人23针对圆柱形电池模组设计了 8种间接接触的液冷结构并对比了它们的冷却效果;Basu等人24设计的铝片导电元件与圆柱形锂离子电池组紧密接触;Zhao等人25对于42110圆柱形电池设计了 一种基于套筒的微通道液冷系统.之后Rao等人26设计了一种通过改变铝块与电池接触面积来调整单体间温差的液冷系统.根据先前学者的研究可知，圆柱形电池液冷系统主要通过改变结构形式来达到降低最高温度和温差的目的.相对于降低模组的最高温度，调节单体间温度的一致性更加困难.根据Rao等人26对于改变铝块长度来实现降低电池单体间温差的研究，本文在此基础

11、上提出了一种新的结构，将铝柱放置在18650电池单体间的空隙中，分别研究了铝柱截面边长和铝柱的高度对电池温度的影响，并通过改变铝柱的高度和截面边长来增加与电池单体的接触面梯度以降低温差，并研究了不同放电倍率下单体的温差，为进一步提高电池热管理系统的工作性能提供参考和指导.1 模型与方法1.1 单体模型电池单体采用松下NCR18650PF,最大容量为2 900 mA h,标称电压为3.7 V.锂离子电池因其不同的长度尺度和几何复杂性，各层在层法向的尺寸通常为数十微米，但在电池片方向达数十厘米，且电池内部为螺旋绕制结构，所以电池单体三维模型的建立较为复杂.但是就锂离子电池的传热过程而言，只存在一个

12、不同方向的传热速率的差异，因此可以将电池三维模型中的活性电池材料简化成具有各向异性导热特征的均质材料.为了方便仿真，采用快速仿真的电化学-热耦合模型，其耦合过程如图1所示.一维单电池模型用于对电池化学性质进行建模以及计算电化学模型的产热，并将热量耦合至三维模型，三维模型用于对温度进行建模，并将温度耦合至一维模型.此模型大大减少了计算时间，适用于研究电池包热管理.1.2 冷却系统结构图2展示了电池模块液冷散热系统的示意图，电池模块共由21个18650电池单体组成，沿x方向有3个单体，沿y方向有7个单体，单体间的间距都为1mm.铝柱放置在4个单体形成的空隙中，铝柱与单体的接触面均为单体的弧形状态，

13、如图2 (c)所示，铝柱截面形状为一个正方形减去单体弧形所占的面积，将正方形边长a记为铝柱的截面边长，铝柱的高度记为h,管道分布如图2(b)所示，管道竖直通过铝柱，管道直径为3 mm.为节省空间，提高铝柱质量，最外侧的4个铝柱侧边与管道中心的距离定为2 mm.此模型具有对称性，且由于中间一列单体两侧都布置有铝柱，所以外侧两列单体更具有参考性，如图2 (c)所示，将外侧一列单体标号为17,以便于后续的研究.考虑导热系数和黏度，采用液态水作为冷却介质.电池、铝柱和冷却液的热物理性质见表1.1.3 平衡方程锂离子电池生热量包括副反应热、反应热、极化热和焦耳热.由于过充和过放、电解质分解及自放电产生的

14、副反应热几乎为零27,故只考虑剩下的三部分热量.在进行充放电时，锂离子和电子发生嵌入和脱嵌，运动过程中产生热量如式(1)所示，两者遵循电荷守恒定律.反应热Q1为：1.4 边界条件与网格验证根据冷却液的性质、管道直径及入口流速，可计算雷诺数来确定是采用层流模型还是湍流模型.本文最大入口流速为0.2 m/s,雷诺数为67L36,由此可知，本文采用层流模型.在所有仿真中，入口冷却液温度、电池模组初始温度及环境温度均设为25。(2.冷却液的入口边界条件采用速度边界条件，具体速度值在仿真过程中确定；出口边界条件采用压力边界条件，法向压力设置为0.电池模块外层有保持架、集流片、固定架等覆盖件，且整个电池包

15、也由外壳所包覆，电池单体、冷却通道和铝块的对流传热系数设为2 W/ (m2-K).利用有限元软件C0MS0L求解耦合传热问题，C0MS0L具有强大的多物理场耦合功能.由于控制方程的高度非线性和模型中几何尺度的不同，计算精度和计算时间依赖于网格和求解器.模型都采用自由四面体网格，以管道出口边界的温度为参考，测试了几种网格密度对其影响，以保证解的网格无关性.2 结果与讨论由于电池的热量都是通过铝柱传递到冷却管道，因此铝柱和电池单体的接触面积与冷却性能有很大的关系.铝柱与电池的接触面积可以通过改变铝柱的截面大小和铝柱的高度来进行调节.在接下来的研究中，我们将分别讨论铝柱截面大小和铝柱高度这两个变量对电池冷却性能的影响.2.1 铝柱截面大小对温度的影响选定铝柱高度为定值40 mm,只改燮截面边长以达到改变与电池接触面积大小的目的，截面边长a以1田田的间距从7田田变化至14 mm；冷却液入口流速分别设置为0. 05、0. 10. 0. 15和0. 20 m/s,电池以3 C倍率放电至终止电压，放电时长为1 200 s.放电结束后整个电池模块的最高温度和最大温差如图4所示.由图4可知，冷却液入口流速对