0 引言
锂电池模组温差过大引发电池间容量、寿命以及老化衰减速率不一致,致使其充放电性能和安全性变差。Zhou等[1]发现锂电池模组温差过大导致其不同单体间初始容量、荷电状态(state of charge,SOC)、内阻等参数不一致,进而导致整个锂电池模组性能下降。Du等[2]通过对单体锂电池在不同温度下充放电循环实验,发现273.15 K时锂电池容量下降了约5.97%,298.15 K时锂电池容量下降了约0.42%,353.15 K时锂电池容量下降了约1.31%。Feng 等[3]发现,锂电池温差大于5 K时,温差每增大1 K,电池容量降低1.5%～2%。此外,多位学者[4-5]指出,锂电池降解速度随温度升高呈指数增长。因此,亟需对锂电池模组冷却散热均匀性进行研究,确保其工作温度一致。
为了降低锂电池模组工作温度及温差,众多学者做了大量工作优化冷板结构。万长冬等[6]使用双层冷板冷却,电池模组最高工作温度317.1 K,温差12.83 K,与单层水冷相比电池模组温差降低了5.58 K。Chen等[7]提出了一种差异化冷却结构,发现差异化冷却结构可显著改善电池模组温度均匀性,2 C放电过程中可将电池模组最大温差控制在6.7 K。Deng 等[8]通过研究流道数对蛇形流道冷板电池冷却散热影响,发现电池5 C放电,流道数增至15,散热效果最佳,电池最高温度310.71 K,温差5.45 K。余剑武等[9]设计了一种扰流并行流道冷板,电池1 C放电平均温度和温差分别为309.44 K和14.02 K。Dong[10]设计了一种双螺旋冷却系统,在冷却液流量为1.94×10-3 kg/s条件下,可将电池模组工作最高温度和温差分别降至305.51 K和6.98 K。杜巍等[11]设计了一种夹套式锂电池模组冷却系统,4 C放电冷却液质量流量为0.03 kg·s-1时,电池模组工作最高温度为302.46 K,温差为7.15 K。通过以上研究不难发现,锂电池模组最高温度已经可以有效的控制在最佳范围,但是锂电池模组工作温差依旧不能控制在最佳工作温差范围之内。
为了进一步降低锂电池模组工作温差,通过在冷却液入口冷板与锂电池间增设导热系数较低材料(导热硅胶垫或保温棉)作为阻热层增大热阻、抑制锂电池与冷板间热交换改善其散热均匀性。并对锂电池模组3 C放电冷却散热进行计算,分析在并行流道、并联蛇形流道、分叉流道增设阻热层对锂电池模组冷却散热均匀性影响,以及阻热层材料导热系数、厚度及覆盖面积对锂电池模组冷却散热均匀性影响。
1 锂电池模组液冷结构
减小锂电池模组工作温差,可以通过提高其最低温度、降低最高温度来实现。锂电池模组最低温度通常出现在冷却液入口附近,最高温度出现在冷却液出口附近。为了减小锂电池模组工作温差,在冷却液入口附近冷板与电池间增设导热系数较低阻热层,抑制冷却液入口附近电池与冷板间换热,提升锂电池模组最低温度,进而降低锂电池模组温差。如图1所示,电池模组包含22块(长×宽×厚)150 mm×240 mm×7.2 mm、容量24 Ah某单体锂电池。相邻电池间安装导热板,液冷板安装在锂电池模组两侧,冷却液流向采用高效降低锂电池模组工作最高温度和温差的对向流[12-15]。图中蓝色箭头方向表示冷却液入口流向,红色箭头方向表示冷却液出口流向,冷却液流量和初始温度分别取0.03 kg/s和298.15 K,导热板和冷板均为金属铝,导热板厚度为2 mm。冷板尺寸(不含出入口)长204.4 mm、宽240 mm、厚8 mm(流道槽深2 mm、壁厚3 mm)。阻热层长和宽分别为L和W,厚为D。
图1 锂电池模组结构
Fig.1 Lithium battery module structure
2 计算模型
2.1 热传导控制方程
为简化计算,对锂电池做以下假设:
1) 锂电池等效为单一材料且热源均匀分布。
2) 由于热辐射换热量较小,忽略热辐射对锂电池模组散热影响[16-18]。
3) 忽略了锂电池、冷板及阻热层间接触热阻。
4) 锂电池充放电过程无副反应发生。
锂电池热传导模型:
(1)
式(1)中: ρa、Cpa、Ta分别为锂电池密度、比热容、局部温度;λx、λy、λz为锂电池沿x、y、z方向导热系数;q为锂电池生热速率,t为时间。
锂电生热速率采用Bernardi提出的电池单位体积生热速率模型[19]计算,表达式为
(2)
式(2)中:I为单体锂电池充放电电流;V为单体锂电池体积;Ra为锂电池总内阻; dU0/dTa为锂电池温度系数。
导热板和冷板热效应方程:
(3)
式(3)中:ρb、Cpb、Tb、λb分别为导热板和冷板的密度、比热容、局部温度以及导热系数。
阻热层热效应方程:
(4)
式(4)中: ρc、Cpc、Tc、λc分别为阻热层的密度、比热容、局部温度以及导热系数。
2.2 冷却液控制方程
假设冷却液为常物性不可压缩牛顿流体,冷却液流动控制方程如下:
质量守恒方程:
(5)
动量守恒方程:
(6)
(7)
(8)
能量守恒方程:
(9)
式(9)中: ρ、μ、Cpf、λf、Tf分别为冷却液密度、动力粘度、比热容、导热系数、局部温度;t为时间; u、v、w分别为冷却液在流动过程中x、y、z方向速度分量。
2.3 边界条件
流道壁面与冷却液间采用无滑移边界。电池模组与外部空气自然对流,对流换热系数取2 W/(m2·K)。冷却液与冷板流道壁面间对流换热遵循牛顿冷却公式为
Q=hS(Tbs-Tfs)
(10)
式(10)中:Q为对流换热量;h为冷却液与流道壁面间对流换热系数;S为换热面积;Tbs和Tfs分别为流道与冷却液对流换热面局部温度。
2.4 锂电池模组物性参数
单体锂电池、冷却液、导热板、冷板和阻热层物性参数如表1所示。
表1 锂电池模组物性参数
Table 1 Physical parameters of battery module
参数锂电池导热板/冷板冷却液阻热层材料名称等效材料铝水导热硅胶垫保温棉密度/(kg·m-3)19292719998.2170026比热容/(J·kg-1·K-1)1200871418213600.075导热系数/(W·m-1·K-1)λx=1,λy=λz=32202.40.620.034动力粘度/(kg·m-1·s-1)0.001003
3 结果与讨论
3.1 模型验证
为了验证锂电池模组冷却散热数值模型可靠性,对某单体锂电池在3 C放电过程温度变化进行了计算,并对其表面平均温度计算结果与文献[20]中实验测试值进行了对比。结果如图2所示。本文中计算结果与实验值吻合较好,说明本文中采用的数值模型可以对锂电池模组冷却散热进行计算。
图2 锂电池表面平均温度计算值与实验值对比
Fig.2 Comparison of the average temperature of the battery surface between the calculation and the experiment
3.2 网格独立性分析
为了确保计算结果不受锂电池模组网格划分数量影响,采用多面体网格针对锂电池模组,包括锂电池、导热板、冷板、阻热层和冷却液进行离散,对包含棱边、冷板流道与流体对流换热面在内的各变化区域进行了网格单元细化。对锂电池模组分别离散为729 626、2 258 726、3 319 737、9 872 496和1 844 456共5种不同网格单元数量对锂电池模组3 C放电散热进行了计算,结果如图3所示。从图3中锂电池模组工作最高温度和温差随锂电池模组离散单元数变化曲线可以看出,当网格单元数量不小于3 319 737时,锂电池模组工作最高温度和温差计算结果基本不随离散单元网格数量变化而变化,因此选用网格单元数3 319 737对锂电池模组放电散热进行计算。
图3 锂电池模组温度随离散网格单元数量变化曲线
Fig.3 The curves of battery temperature with the variation of number of the discrete grid element
3.3 阻热层对锂电池模组散热影响
为了研究阻热层对锂电池模组散热影响,对并行流道、并联蛇形流道以及分叉型流道3种不同结构流道冷板,分别采取增设和不增设阻热层,导热硅胶垫阻热层厚度1 mm,面积80×80 mm,对锂电池模组3 C放电冷却散热进行了计算,结果如2表和图4所示。
图4 不同流道下是否增设阻热层锂电池模组的温度分布
Fig.4 Temperature distribution of lithium battery modules with or without thermal barrier layer under different flow channels
从表2不同流道和冷板方案下锂电池模组最高温度和温差可以看出,无阻热层,并行流道、并联蛇形流道和分叉型流道冷板冷却,锂电池模组工作最高温度分别为310.26、306.67和306.6 K,温差分别为10.22、7.1、6.75 K。增设阻热层,并行流道、并联蛇形流道、分叉型流道冷却,锂电池模组工作最高温度分别为310.31、306.66、306.55 K,与无阻热层相比,几乎不变,温差分别为8.14、5.59、4.89 K,与无阻热层相比,分别下降了2.08、1.51和1.86 K。表明阻热层对不同结构流道冷板锂电池模组散热温差都有明显减小。从图4不同流道下是否增设阻热层锂电池模组的温度分布可以进一步看出,阻热层的存在,冷却液入口附近锂电池局部温度有所升高,锂电池模组温度分布更加均匀。这是因为阻热层导热系数较低,增设阻热层在冷却液入口处形成了较大的热阻,减小了冷却液入口处冷板与锂电池间换热量,一方面提升了冷却液入口处锂电池温度,另一方面,降低了冷却液温升,增大了冷却液与下游冷板间的温差,强化了流道下游冷却液与锂电池间热传导,降低了下游出口附近锂电池最高温度,锂电池模组整体温度更加均匀,温差更小。
表2 不同流道和冷板方案下锂电池模组最高温度和温差
Table 2 Maximum temperature and temperature difference of lithium battery modules under different channel and cold plate schemes
流道方案冷板方案最高温度/K温差/K温差下降/K并行流道无阻热层310.2610.22有阻热层310.318.142.08并联蛇形流道无阻热层306.677.10有阻热层306.665.591.51分叉型流道无阻热层306.606.75有阻热层306.554.891.86
3.4 阻热层导热系数对锂电池模组散热影响
为了研究阻热层导热系数对锂电池模组散热影响,采用分叉型流道冷板,分别增设厚度1 mm, 边长80 mm×80 mm的保温棉(导热系数0.034 W/(m·K)、导热硅胶垫(导热系数2 W/(m·K)),对锂电池模组3 C放电冷却散热进行了计算,结果如表3和图5所示。
表3 不同阻热层锂电池模组最高温度和温差
Table 3 The highest temperature and temperature difference of lithium battery modules under different thermal barrier
阻热层材料导热系数/(W·m-1·K-1)最高温度/K温差/K无阻热层202.4306.66.75导热硅胶2306.554.89保温棉0.034309.087.93
注:无阻热层时导热系数为冷板自身导热系数。
图5 不同阻热层下锂电池模组的温度分布
Fig.5 Temperature distribution of lithium battery modules under different thermal resistance layers
从表3不同阻热层锂电池模组工作最高温度和温差可以看出:无阻热层时,锂电池模组工作最高温度306.6 K,温差6.75 K;增设保温棉和导热硅胶垫时,锂电池模组工作最高温度分别为309.08 K和306.55 K,温差为7.93 K和4.89 K。从图5不同阻热层下锂电池模组的温度分布中可以进一步观察到,当不增设阻热层时,冷却液入口附近电池温度最低。当选用导热硅胶为阻热层时,电池组温度分布较为均匀。当选用保温棉为阻热层时,电池模组呈现阻热层覆盖区域内温度最高。产生这一变化趋势是因为保温棉的导热系数较小,其热阻大,阻热层覆盖区域电池生成热不能透过阻热层传导出去。导热硅胶垫,其阻热层覆盖区域锂电池生成热部分透过阻热层传导出去,锂电池局部温度有所提升。冷却液出入口附近电池温差下降,锂电池模组温度分布相对均匀。不增设阻热层时,冷板自身导热系数较高,靠近冷却液入口锂电池生成热快速传导出去,温度下降,与远离冷却液入口处的锂电池形成较大温差。
3.5 阻热层厚度对锂电池模组散热影响
为了研究阻热层厚度对锂电池模组散热影响,采用分叉型流道结构冷板,以边长80 mm×80 mm、0(无阻热层)至2 mm不同厚度导热硅胶垫作为阻热层,对锂电池模组3 C放电冷却散热进行了计算,结果如图6所示。
图6 不同厚度阻热层锂电池模组最高温度和温差变化曲线
Fig.6 Maximum temperature and temperature difference variation curve of lithium battery module under different thickness of thermal barrier layer
从图6不同厚度阻热层锂电池模组工作最高温度和温差变化曲线可以看出,阻热层厚度从0增加至1 mm时,锂电池模组工作最高温度从306.6 K下降至306.55 K,温差从6.75 K下降至4.89 K。阻热层厚度从1 mm增加至2 mm时,锂电池模组工作最高温度从306.55 K上升至306.98 K,温差从4.89 K上升至5.3 K。锂电池模组工作最高温度和温差影响均随着阻热层厚度增大呈先降后升。这是因为在阻热层厚度0～1 mm区间,随着增设在冷却液入口处冷板与锂电池间的阻热层厚度增加,热阻增大,被阻热层覆盖的区域锂电池工作温度逐渐升高,锂电池模组最低工作温度仍处于冷却液入口附近区域,同时冷却液出口附近区域锂电池工作温度降低,锂电池模组最高温度仍处于冷却液出口附近区域,锂电池模组温差减小。在阻热层厚度1～2 mm区间,随着阻热层厚度进一步增加,热阻进一步增大,阻热层覆盖的区域热量聚集逐渐成为锂电池模组温度最高的区域,锂电池模组温差增大。
3.6 阻热层覆盖面积对锂电池模组散热影响
为了研究阻热层覆盖面积大小对锂电池模组散热影响,采用分叉型流道结构冷板,以厚度1 mm,边长0(无阻热层)至160 mm不同边长导热硅胶垫作为阻热层,对锂电池模组3 C放电冷却散热进行了计算,结果如图7和图8所示。
图7 不同边长阻热层下锂电池模组最高温度变化曲面
Fig.7 Curved surface of maximum temperature variation of lithium battery modules under different side length thermal barrier layers
图8 不同边长阻热层下锂电池模组温差变化曲面
Fig.8 Curved surface of temperature difference variation of lithium battery module under different side length thermal barrier layers
从图7不同边长阻热层下锂电池模组最高温度变化曲面和图8不同边长阻热层下锂电池模组温差变化曲面可以看出,当不夹垫阻热层时锂电池模组的最高温度和温差分别为306.6、6.75 K,随着阻热层边长增大锂电池模组的最高温度小幅下降,温差大幅下降,在阻热层长和宽均为80 mm时锂电池模组的最高温度和温差分别为306.55、4.89 K。随着阻热层长进一步增大锂电池模组的最高温度快速升高,温差小幅升高,在阻热层长和宽均为160 mm时锂电池模组的最高温度和温差分别为307.7、5.46 K。这是因为当阻热层边长小于80 mm时,阻热层减小冷却液入口处与锂电池模组之间的换热量,使得锂电池模组温度较低的区域温度升高,锂电池模组温度均匀性得到改善,当阻热层长和宽均大于80 mm时,由于阻热层覆盖面增大,阻热层将锂电池模组原本散热较差的区域覆盖,导致锂电池模组最高温度升高,温差增大。
4 结论
1) 增设阻热层冷板可以通过增大锂电池模组低温区域的热阻,降低原低温区域的换热量,改善锂电池模组温度分布均匀性。与未增设阻热层冷板相比,并行流道、并联蛇形流道和分叉型流道冷板增设阻热层后温差分别下降了2.08、1.51、1.86 K。
2) 阻热层导热系数、阻热层厚度、覆盖面积对散热效果均有影响。冷板在分叉型流道、导热硅胶垫阻热层厚度1 mm、长度80 mm、宽度80 mm条件下,可使锂离子电池组3C放电最高温度和温差降至306.55 K和4.89 K。
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