电池冷却系统的热管理

摘要

锂离子电池已成为引领下一轮汽车革命的最合适的选择，其功率密度、高能量和封装效率是主要的参考因素。电池的动态运行和工作环境导致电池热管理是影响电池工作的主要因素。分别对不含和含冷却管理的电池系统进行了设计和仿真计算。最初，采用296个锂离子电池设计了66 kWh/400V的无冷却电池系统，整体尺寸1550×1190×270mm，重量400kg。结果表明：温度分布高于电池的最佳性能温度范围(25-55℃)。考虑余热的耗散和电池温度分布的均匀性，在系统中添加了冷却系统。使用含40%乙二醇水溶液对电池进行散热，电池系统恒定功率输入1868W，冷却液温度24℃，入口流量352kg/h。结果表明：冷却液温度低于46℃，电池温度低于50℃；分析并验证冷却液的压降，对电池冷却系统各处的温度进行对比分析。

1.电池热参数-产热及其影响

1.1.锂离子电池

锂离子电池由正极、负极和电解质组成，在充电过程中电子从正（阳极）移动到负（阴极）电极，反之亦然。与其他电池技术相比，锂离子电池的优势在于其体积和质量-能量密度。该特性使锂离子电池对不同应用领域非常有吸引力，尤其是在能量密度至关重要的汽车行业。锂电池有三种不同的形状，即圆柱形，棱形，及袋状。

1.电池内部产热

变熵电化学反应和变电流电阻热在电池充电和放电过程中产生的热量。在不使用冷却系统的情况下，放电过程中产生的热量进入电池。一旦找到了热产生和热传递速率，t就可以在每个时步中计算，如下式：

其中，m代表模块质量，Cp表示模块比热容。

2.电池性能

锂离子电池的性能很大程度上取决于电池的温度。锂离子电池的最佳工作温度为25 ~ 55℃，在此范围之外将对电池的性能和寿命产生负面影响

3.锂离子电池的热失控

当电池温度超过一定限度时，就会发生一系列的放热反应，从而进一步提高温度。链式反应会持续下去，导致热失控。如图1所示，热失控过程中产生的大量热量和气体会导致火灾和爆炸。热失控可由高温、过充、短路、钉穿等多种原因引起，分析由过热引起的爆炸。当SEI(固体电解质界面)分解时，热失控在大约80℃开始，SEI是负极和液体电解质之间的保护层。随着SEI的破坏，电解质和电极将在100℃左右开始反应，放出大量的热进一步提高温度。在130℃时，阳极和阴极之间的分离器熔化并导致内部短路。在200℃时，链式反应开始首先是锂金属氧化物，然后电解液与氧气反应并分解。

图1 单个电池的产热

4.电池热管理系统

如前所述，不合适的电池温度会对电池的性能、寿命和安全性产生负面影响。因此，每个电池系统都需要进行热管理（BTMS）。BTMS的主要是将电池保持在最佳温度范围内，并维持电池包的温度均匀性。在此之后，还必须根据电池组的应用情况考虑重量、尺寸、可靠性和成本等其他因素。本文采用直接液冷法，覆盖整个电池表面保证冷却的均匀性，该方法消除了电池中的热点/冷点进而提高了电池的性能。冷却剂的选择要求低粘度、高导热系数和高比热容。

1.2 冷却剂

冷却剂流量设置为所需的最小值，以保持入口和出口之间的总冷却液温差等于5℃。冷却剂质量流量如下式所示：

Q表示每个单元产生的热量，ρ和Cp分别是冷却剂的密度和热容。∆T设为5℃，

表1 冷却剂计算结果

表2 乙二醇水溶液物性参数

2.数值模型

采用商业计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM+进行数值模拟。连续性、动量和能量的控制方程分别如下式所示：

为了模拟冷却剂的流动，采用了标准k-Epsilon模型，具有鲁棒性和稳定性。除了守恒方程之外，还求解了双输运方程(PDEs)，该方程解释了湍流能量的对流和扩散等效应。这两个传输变量分别是湍动能k和湍耗散率ε。

纳维-斯托克斯方程如下式所示：

k-ε模型如下式所示，其依赖于自由剪切运动，如具有相对较小的压力梯度的流动。

采用标准K-Epsilon通用模型常数如图所示：

湍流粘度如式所示：

其中，Prt表示湍流普朗特数，gi是引力矢量在第i个方向上的分量。对于标准模型和可实现模型，Prt的默认值是0.85。

热膨胀系数β定义为：

Wall Y+方程，紊流模型k-ε仅限于大雷诺数和均匀的紊流，不适用于粘性效应占主导地位的壁面附近。Y+计算如式所示：

其中，Ur表示摩擦速度，（m/s）；yp表示第一层网格到壁面的距离；v表示动力粘度（m2/s）。电池冷却剂的流动模型采用k-Epsilon湍流模型。

3.电池仿真

3.1 电池包设计

电池组由多个相同的电池，BMS电流收集器，电池支架，冷却板，接线盒，和顶部和底部电池盖组成。所述单元可以配置为串联、并联或两者混合以输送所需电压和容量。仿真模型如图2所示。

图2 电池模型拆解图

袋状电池由薄铝箔制成并包裹在聚合物层中；电池模块由多个袋状电池堆叠成外壳；热冷却泡沫垫沿外壳粘贴确保结构的稳定和散热；添加塑料框架保证标签分离防止短路。电池管理系统由微处理器和塑料芯片组成；NVH泡沫被用作结构构件抑制来自包装的噪声和振动。电池冷却系统在给定泵送功率下优化冷却流路，并按要求维持电池温度。母线和其他载流元件通常由铝制成，由于铝具有优良的导电性。ABS，丙烯酸和塑料用于连接器和各种组件的覆盖物。表3解释电池组的电池规格。

表3 电池参数

3.2  CFD流程

图3介绍了含冷却系统和无冷却系统的电池热仿真的工作流程。

图3 流程图

3.3 CFD设计

图4建立了电池热行为的几何模型，电池组件及其材料性能如表4所示。

图4 几何模型

表4 电池材料参数

3.4 冷却通道设计

冷却通道的计算如下式所示：

其中，A表示冷却通道的面积（m2）；M表示冷却剂质量流量（kg/s）；V表示冷却剂速度（m/s）；ρ表示冷却剂密度（kg/m3）。

3.5 网格

采用STAR-CCM+网格划分生成多面体网格，对于流体域，首先进行网格细化同时确定冷却管壁上的边界层。固体域的基础尺寸为5mm，流体域的基础尺寸为4mm。基于y+目标值1，体积增长率设置为1.2，边界层厚度设置为0.5 mm。此外，进行网格无关性验证，三种网格数量分别增加了25%，确定网格数量为1000万个。体网格如图5所示。

图5 网格模型

3.6 物理连续体

物理连续体是一个由数值定律和模型控制的环境，这些定律和模型将应用于我们模型的一个或几个领域。可以是气体、流体或固体，为每个固体和流体组件设置了物理。流体域采用隔离绝热K-Epsilon湍流壁函数模型，外固体表面考虑对流。与环境换热系数为10W/m2·K，固体部分的环境温度为300K。系统的边界条件为冷却剂进口质量流量352kg/h和温度24℃。收敛系数满足质量流量、温度和压力等所有因素。表5描述了连续体设置。

表5 CFD物理连续体

1.DOE矩阵 -热模拟

表6表示11种不同模拟的DOE矩阵，一种模拟是没有冷却系统，四种模拟是有液冷(2个进气口和2个出口)，最后一类是有冷却(1个进气口和1个出口)。对电池系统进行了三种不同类别的模拟。

表6 DOE矩阵

3.7 无冷却系统的电池模型

图6为无冷却系统的CAD模型。在不考虑冷却剂流动的情况下进行了模拟，外罩对流速率为10w/m2·k，环境温度为27℃。

图6 无冷却系统的CAD模型

没有热管理系统的电池系统的结果，图7表示无冷却系统的温度分布；图8是截面温度分布；图9是图7为电池各部件的温度曲线图。可以看到内部部件的温度值超过了100℃；图10是各部件的最大温度图。

图7 温度分布                                                        图8 界面温度分布

图9 电池各部件的温度曲线                   图10 各部件的最大温度

电池系统在高温下的影响，如图11所示。

图11 无冷却系统的温度影响

3.8  带冷却系统的电池-第一类结构

图12为第一类冷却结构系统图，有两个冷却入口和两个冷却出口。

图12 第一类仿真结构

对冷却剂和固体分别设置各自的热特性和固体组分。电池使用的材料是铝、铝合金、热塑性塑料、导热润滑脂、NVH泡沫和40%乙二醇溶液作为冷却剂。对系统进行仿真分析结果如图13所示。case2(管道1&2进口和管道3&4出口)的温度均匀性优于其他情况，case 2中各部件的最高温度较低，主要是冷却剂带走了更多的热量。case2的压降为48.1mbar，这是由于通过冷却系统的流道造成的。

图13 温度分布

3.9 带冷却系统的电池-第二类结构

图14为第二类冷却配置的仿真结构图，包含一个进口一个出口。

图14 第二类仿真结构图

从图中可以看出，case 8(1号管道入口和4号管道出口)的温度均匀性较好。由于电池系统的冷却剂传递了更多的能量，外壳8的电池部件温度最低

图15 温度分布

图16 冷却剂温度分布

3.10 总结

对不同电池配置进行了设计和三维仿真。没有冷却系统的电池系统导致其部件温度较高(高于120℃)，从而导致系统故障。I型和II型冷却系统配置在最佳电池温度范围内运行(25-55℃)。I型(多进出水口)比II型(单进出水口)配置更好、更高效。考虑到电池的产热和温度均匀性，从冷却矩阵中选择case2(1&2个入口，3&4个出口)作为最佳配置。case2的压降为48.1mbar，电池部件中最低温度(34.55℃)。

4. 结果和讨论

为了实现电动汽车电池包的冷却性能和成本效益，热管理和冷却系统类型的选择是非常重要的。电池系统的冷却涉及到冷却方式、冷却系统的设计、电池冷却系统的进、出口等几个因素。在本文中，电池热管理系统选择了液冷方式。没有选择风冷方式，因为风冷系统的传热系数比液冷要低，且空气的热容量小，很难保持包内的温度均匀。选择40/60比例的水和乙二醇混合物用于间接冷却系统，因为它在车辆应用中具有较低的冻结温度。水/乙二醇具有较高的热容量，因此采用水/乙二醇作为传热流体可以大大减小系统内部冷却液的温度变化，同时也可以达到温度均匀性。

参考文献：

Rajadurai, D.S., et al., Thermal Management of Battery Cooling System. 2021, SAE International.

本期内容相关推送文章汇总：

1. 应用于电动汽车和其他冷却系统便携式热电对流装置的设计| AutoAero202224期.

2. 电动汽车电池热管理系统的仿真与控制|202237期.

3. 通用电动汽车热管理系统|AutoAero202231期.