1、车辆与动力技术2023年第2 期Vehicle&Power Technology文章编号：10 0 9-46 8 7(2 0 2 3)0 2-0 0 14-0 6总第17 0 期基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化李睿，王铁（沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳110 159）摘要：为了优化电动汽车电池热管理系统，使锂电池模组始终能在合适的温度区间正常工作，提出了一种双向并联流道的液冷板布局结构，采用某方形锂电池为研究对象，对在环境温度40 下的电池模组进行散热仿真，针对仿真结果进行优化改进，结果表明：改进后的液冷结构具有足够的散热能力，模组的最高温度降低1.285，最大温差降低1.2.电池模
2、组可以在较为理想的环境下进行散热改变冷却液入口质量流量与冷却液温度，能够起到不同效果的散热能力，需要根据不同模组情况针对性调整.关键词：电池热管理系统；电池模组；液冷散热；数值模拟；结构优化中图分类号：U469.72Thermal Simulation and Optimization of Battery Based onBidirectional Parallel Flow Channel Liquid-cooling Plate(School of Automotive and Transportation,Shenyang Ligong University,Shenyang 1101
3、59,China)Abstract:In order to optimize the electric vehicle battery thermal management system to enable thelithium battery module can always work normally in the appropriate temperature range,a two-way parallelflow channel layout structure is proposed.This method uses a square lithium battery as the
4、 researchobject and heat dissipation simulation is conducted for the battery module at an ambient temperature of 40C.Then,we further optimize and improve the model according to the simulation results.The resultsshow that the improved liquid-cooled structure has sufficient heat dissipation capacity,w
5、hile themaximum temperature of the module is reduced by 1.285 C and the maximum temperature difference isreduced by 1.2 C.The battery module can dissipate heat in a more ideal environment.Changing thecoolant inlet mass flow and coolant temperature can play a different role in the heat dissipation ca
6、pacity,which needs to be adjusted according to the situation of different modules.Key words:battery thermal management system;battery module;liquid-cooled heat dissipation;近年来，受严重的能源危机与恶化的环境污染影响，各行业对绿色能源的开发与利用已成为主流，能源的未来也终会向绿色能源时代迈进 而作为新兴绿色能源之一的锂离子电池，正逐渐成为新能源汽车产业的动力支柱广泛地应用于纯电动汽车（EV）与混合动力汽车（HEVs）的动力电
7、池系统.相较于其它类型电池，锂电池在能量密度、荷电保文献标识码：ALI Rui,WANG Tienumerical simulation;structural optimization持能力、寿命、安全等方面有着明显优势，但其对温度变化的高敏感度是一个不容忽视的问题2 1温度过高会加速电池内部化学反应，致使电池热泛滥，严重将导致电池爆炸；温度过低则会使负极析锂，严重降低电池性能3 因此，设计优化电池的热管理系统，采用合理的冷却方式是必不可少的.不同工况下电池的温度变化不同，所需对应的收稿日期：2 0 2 2-10-2 5作者简介：李睿（19 9 8），男，硕士研究生，研究方向为电池热仿真第2
8、期冷却方法也将有所变化按照所利用的传热介质与原理不同，可将冷却手段划分为4种：风冷、液冷、相变冷却，热管冷却4 风冷利用流体的对流传热降低温度，其设计成本最低、设计结构最简单，发展成熟，但散热效果与电池的温度一致性较差；相变冷却利用物质分子重新排列与分子热运动速度的变化来吸收电池热量，其冷却效果极好，无泄漏风险且结构紧，但加热能力差，气密性与成本要求高；热管冷却原理是基于气相与液相的变化传热，在无能耗的情况下将电池热量迅速带走，其导热性高、布置形式多样，温度控制更精准，但目前未应用于实际，还处于实验阶段液冷则通过液体强制对流带走电池热量，其散热效率高，温度均匀性好，能耗低，成本较高但可优化结构
9、控制在合理范围故综合比较，液冷的冷却方式在散热率、温度均匀性、能耗、实际生产中都有着独到的优势，已成为现今动力电池热管理的主流5-7 电池液冷系统的散热主要通过优化电池排布方式以及优化液冷板内流道的结构与布局来实现，文中提出一种新型流道布局结构，应用STAR-CCM+软件，对此液冷流道布局下的电池模组进行热仿真模拟，并针对分析结果进行结构优化与变量分析.1数学模型构建1.1电池热模型锂离子电池的产热机理是复杂多变的，主要可分为以下4种：由于可逆反应生成的反应热Q，；极化反应生成的极化热Q，；本身内阻存在生成的焦耳热Q,以及电极自放电生成的副反应热Qs综上4种热量可得总热量之和Q，Q=Q,+Q,
10、+Q;+Qs.在充放电工况下，副反应热在充放电工况下所生成的热量少，故不作考虑，主要考虑Q，、Q，、Q,3种热量电池模组使用集总参数模型，设电池内部发热均匀，内部物质分布均匀，不考虑内部辐射与热对流，忽略温度对内部热容及导热系数的影响，采用Berrnadi描述方程为a(C,T)Ptq=I(E-U。)-I T 9(2）式为内部温升方程，p李睿等：基于双向并联流道液冷板的电池热仿真与优化?T?T化程度；k代表电池内部x、y、2ay2各项导热，9 为发热功率（3）式中右侧前项代表极化热和焦耳热，后项代表反应热.I、U。、E、T、dE分别代表电流、端电压、开路电压、电池温度、dT温度影响系数且电池的端
11、电压等于开路电压E与等效电压IR之和，等效内阻R等于极化内阻Rp与欧姆内阻R。之和故有：U。=E+I R,R=Rp+Ro:由（3）（4）（5）式可求得电池总生热功率：1=P(R,+Ro)-IT.dT1.2液冷系统控制方程电池因工作产生的热量在密闭的电池包内会出现大量热堆积，在液冷冷却方式中，这些多余热量经由导热硅胶垫、液冷板面、液冷板内流动的冷却液向外传递，完成散热在整个液体流动、液固传热过程中，始终遵守以下三大守恒方程.质量守恒方程：a(pl)+a(pm)+a(pn)x动量守恒方程：dup=pF-T+Vu.能量守恒方程：aTpc+V.(pcuT)=V.(h VT).t式中：l、m、n 为速度
12、在各方向上的分量，代表梯度向量，P、C、F、P、U、T、k 分别代表密度、比热容、质量力、应力张量、流体黏性系数、(1)速度矢量、温度、导热系数.2仿真模型建立及分析2.1几何模型文中首先建立一种具备双向并联流道的液冷散热方形锂电池模组简化模型，观察电池在高温环境下的?T?Td?T+k2x215T(4)(5)(6)=0.(7)(8)(9)+q.(2)液冷散热情况，并针对存在问题进行结构优化该方ay2dEdTa(C,T)代表温度变at模组与液冷板之间采用导热系数为2 W/（m k）、密形锂电池液冷系统包含3个电池模组、导热垫、冷却(3)板及冷却流道每个电池模组由12 个50 Ah单体电池按照3P
13、4S的方式进行连接各横排模组间间隙为10 cm.16度2 0 0 0 kg/m、比热容9 0 0 J/（k g k）的导热垫来填充二者间缝隙，以更好的降低接触热阻的影响几何模型与液冷板模型如图1、2 所示.模组进水凸1进水口2液冷板图1模组-液冷系统三维结构简图车辆与动力技术2.2边界条件在实际行驶过程中，电动汽车会面临着加、减速，上、下坡，起步、停车等不同工况，相对应的电池的充放电倍率与产热能力也不同结合文中推导得出的式（6），得到电池在环境温度2 5，不同放电倍率(0.5C、1C、1.5C、2 C)产热功率如导热垫表3所示.液冷流道出水口出水口2放电倍率/C0.51.01.52.02023
14、年表3电池产热功率放电电流/A放电时间/s257 200503600752.4001001 800功率/W2.345.8810.2415.26电池模组设为总热源，采用三维、隐性不定常、固体、分离固体能量、恒密度的初始模型条件进行计算，与空气外边界热交换为对流，环境温度图2 液冷板结构简图液冷板内采用双进双出流道布置，各流道采用先并后串的布局方式，分支流道长度与各电池模组纵向长度相同进水口1与进水口2 从上、下两侧同时注人冷却液，经3个并联流道流人后汇流转入中间流道，最终分别从出水口1与出水口2 流出，带走电池产生的多余热量表1、2 为文中仿真模拟所用电池单体、液冷板与冷却液相关物性参数.表1电
15、池单体物理参数与热特性参数参数名称数值标称容量/Ah50额定电压/V3.65内阻/m20.7密度/(kgm-3)2218各向异性（x，y，2)导热率/(Wm-1.k-)=(23.4,5.3,17.4|比热容/(J kg-1 k-)1 060表2 液冷板与冷却液相关参数材料名称或属性液冷板材料冷板导热率/(Wm-1.k-l)冷板比热容/（Jkg-1.k-)液冷板密度/(kg:m=3)冷却液材料黏度/(Pa s)密度/(kgm-3)冷却液导热率/（Wm-1.k-1)冷却液比热容/（Jkg-1.k-1）紊流普朗特数25，对流换热系数2 W/（m k)；冷却液的流体区域采用三维、隐性不定常、液体、分离
16、流、湍流、k-Epsilon、分离流体温度，并考虑重力的初始模型条件进行计算进水口为质量流量进口，出水口为压力出口，整个计算过程随时间变化，为瞬态仿真.2.3网格条件因此液冷模组存在流体流动，故需考虑边界层影响，面网格应用表面重构、体网格应用多面体网格与棱柱层网格，网格基础尺寸6 mm，边界层数3，边界层延伸1.2 8-10 图3、4分别为液冷模组体网格划分、液冷流道平截面处网格划分情况，液冷板网格数量2 7 0 8 2 6，液冷流道网格数量6 116 0 9，电池模组网格数量2 45495，导热垫网格数量132 0 0 1，整体网格数量为1 2 59 9 31.数值A160632009002.70050%乙二醇+50%水0.003 941 071.10.4193.4850.9图3液冷模组体网格划分及进出口边界层第2 期图4液冷流道平截面网格划分及内部壁面边界层2.4不同放电倍率下模组自然散热情况分析25环境温度下，0.5C100%S0C放电，50Ah电池单体完全放电时的发热功率是2.34W，本电池模组共包含36 个单体锂电池，故放电总发热功率8 4.2 4W；同理，相同条件下1C、1
