特种车辆主要用于桥梁、隧道、水利等领域专用设备的运输,其电驱动系统集成度高,常处于高温、高海拔等恶劣条件下,需要适应高低温等复杂运行工况,导致电池在工作中面临着严重的散热问题,而电池温度过高也会对材料性能造成影响[1]。为了实现复杂环境下特种车辆的行驶安全性,需要合理设计电池冷却结构,将电池温升温度控制在合理范围内,因此动力电池的温度控制显得尤为关键[2]。特别是对于电驱动的特种车辆来说,电池的热管理系统是亟待解决的主要问题之一[3]。
液冷板为锂离子电池最有效的冷却方式之一[4-5]。使用不同类型的液体冷却系统,并对冷却结构进行优化设计,能够有效提升液冷板的冷却性能和均温性[6-7]。Park[8]研究发现,通过调整导流板角度、开通风口,能够显著减少电池的温度升高及其温度差异。Mondal等[9]通过向冷却液中添加固体颗粒,可以有效提升其导热系数。郭茶秀等[10]研究了电池间距、对流换热系数和PCM导热率对热管理系统的影响。吴怡逸等[11]分析了不同冷却液对冷板的流动规律和换热特性,研究了入口流速对综合散热性能的影响。杨孝才等[12]研究了热管理系统操作参数对质子交换膜燃料电池冷却效果的影响。此外,为提高液冷板冷却性能,有学者提出了多种新型流道结构,如新波形微流道结构[13]、双螺旋流道结构[14]、对称蛇形流道结构[15]、带迂回的双环状矩形流道[16]、仿叶脉流道结构[17]、双层树状通道结构[18]、双层叶状流道[19]、仿生鱼骨流道[20]、蜘蛛网散热结构[21]和工字形流道结构[22]等。
目前,液冷技术多是针对低容量电池模组的研究,主要集中在常温环境下在乘用电动汽车的应用方面,而对于使用高容量电池并容易在极端环境条件下工作的特种车辆研究相对较少。此外,液冷系统主要是基于液冷板实现的,而液冷板的冷却效率直接取决于内部流道结构[23-24]。因此,本文旨在解决复杂工况下,现有流道结构冷却液流动压差大、传热不均匀等综合性能差的问题。受到液冷板内部通道功能与毛细血管的养分输送原理相同的启发,首次提出了一种增设倾斜夹角的新型仿生血管流道结构,并对比分析了3种流道结构的散热效果变化和压力损失。此外,研究了流道结构参数对流道特性的影响,分析了冷却介质、放电倍率及环境温度与优化后的仿生流道结构散热性能的关联特性。研究结果可为探索散热均匀、冷却速率更快和压损更低的电池组热管理系统提供参考。
1 几何模型
1.1 电池包几何模型
选取磷酸铁锂方形电池作为研究对象。电芯与底部液冷板内部结构设计如图1所示,电池模组采用1P48 S的组合形式,由48个锂离子电池单体串联组成,标称容量为228 Ah,额定电压为154.6 V,单体电池结构参数尺寸为54 mm×174 mm×204 mm。液冷板采用底部布置的方式对电池模组进行冷却,通过导热材料实现冷却液与电池模组的热量交换。液冷板中心流道宽度为40 mm,其两侧流道宽度W呈对称结构,流道深度D,流道间隔20 mm,壁厚T为1 mm。
图1 电池包结构参数
Figure 1 Battery pack structure parameters
1.2 流道结构模型
直角转弯是液体流动中最为常见的流道结构形式[25],如图2所示。由图2可知,冷却液在直角转弯处有较大的局部压力损失,且速度方向发生了巨大变化,产生明显的涡旋。而增设倾斜角的结构在拐弯处,其局部压力损失和涡旋问题都得到了极大的改善。为此,本文在平行流道结构的基础上,首次提出增设倾斜角来降低冷却液流动过程中的压力损失。
图2 转弯结构数值仿真云图
Figure 2 Numerical simulation of turning structures
此外,在考虑倾斜角的基础上,受动静脉毛细血管结构具有营养物质输送能力均匀的启发,基于毛细血管的通道结构,提出了一种仿生血管散热流道结构,液冷板内部通道功能与血管的养分输送原理相同,冷却液流经管道从而吸收电池产生的热量。3种液冷流道结构如图3(a)、(b)、(c)所示。
图3 底部液冷板结构
Figure 3 Bottom liquid-cooling plate structure
2 数值模型与计算方法
2.1 单体电池生热模型
电池生热速率是电池热管理中评价和分析的重要指数。电池结构、使用条件、电流密度及环境温度等都会对电池的生热速率产生影响[26-27]。
因此,为描述电池在充放电过程中的热效应,本文基于Bernardi公式[28]进行单体电池产热量的计算,公式为
(1)
式中:q为单体电芯生热速率;I为电池工作电流;V为电池体积;Rj为电池欧姆电阻;Rp为电池的极化内阻;UOC为开路电压;T为电池平均温度。
在式(1)中,Rj、Rp以及熵热系数
为关键参数,会受到电池型号、工作温度和电量状态(SOC)的影响,本文熵热系数取值0.005 V/K。
2.2 热物性参数
液冷板冷却液选用水和乙二醇按照质量比为1∶1进行混合,结构材料为3003铝合金,电池的导热系数呈现各向异性,本次仿真分析所需的不同部件材料的热物性参数如表1所示。
表1 电池相关部件热物性参数
Table 1 Thermal and physical characteristics of battery
部件密度/(kg·m-3)比热容/(J·kg-1·K-1)导热系数/(W·m-1·K-1)电芯22181051厚度方向为1.4,高度、宽度方向为21.5冷却液107134860.419液冷板2730893155
2.3 边界条件及参数设置
在进行计算流体动力学(CFD)模拟时,需要根据实验数据合理确定边界条件,以确保模拟结果的精确性。对于电池组的流场分析,需要对各边界进行命名,这有助于后续模拟计算的顺利进行[29]。
在本研究中,电池模组仿真分析在求解器STARCCM+中进行,导入电池模组物理模型后,设置边界条件及相关参数。本次分析采用50%浓度的乙二醇溶液作为冷却液,冷却液初始温度为20 ℃,入口边界条件为mass-flow-inlet进口,冷却液质量流量为15 L/min,流道出口为压力出口,表面压力设置为0 Pa,冷却液与冷板之间为对流换热,锂离子电池组与环境之间采用自然对流,传热系数设置为2 W/(m2·K),电池模组初始环境温度为38 ℃。利用求解器对电池模组进行瞬态求解,松弛因子为默认值,时间步长为1 s,总步数为3 600。
2.4 网格独立性验证
本次分析采用多面体网格对电池包模型进行网格划分,在电池包模组外侧建立空气域以保证计算收敛,其中电芯作为发热源,其网格尺寸大小为空气域网格的50%,液冷板网格尺寸大小为空气域网格尺寸大小的40%,并对液冷板出入口处网格进行加密处理,其边界层数设为3,网格划分如图4(a)所示。为确保计算结果准确性,对网格进行独立性验证至关重要,为此,本次计算采用949 899,1 117 208,1 498 056,1 992 727和3 304 742共5个不同尺寸大小下的网格单元数量对电池组在1C放电倍率下进行分析计算。图4(b)为网格独立性验证。由图4(b)可知,当网格单元数达到1 498 056时,随着网格单元数量继续增大,电池包模组最高温度和平均温度几乎并无变动。因此,为了提高计算效率,减少计算时间,本次分析网格单元数选取1 498 056进行计算,既能保证计算准确性,又能满足计算需求。
图4 网格独立性验证
Figure 4 Grid independence verification
2.5 实验验证
考虑到仿真结果的准确性和可靠性,对电池模组进行放电温度性能的测试。本次实验所使用设备以及实验过程如图5所示,包括动力电池充放电机、步入式环境箱、新能源冷水机以及电池模组,分别负责设定不同环境温度、执行充放电操作以及提供冷却液等实验条件。在设定的38 ℃环境温度下,分别采用1C电池放电倍率和10 L/min、15 L/min的冷却液流速进行放电实验。并对电池包模组最高温度数据进行监测,基于实验数据将数值模拟计算结果与实验数据进行对比。
图5 电池实验平台设备
Figure 5 Battery test platform equipment
实验与仿真结果如图6所示,由于电池内阻与实际产品内阻的差异,单体电池仿真数据与实验结果最大相差0.43 ℃,误差为3.05%,满足小于5%要求,表明本次数值模拟分析所用电池包仿真模型能够很好地预测电池包散热情况。
图6 实验验证
Figure 6 Experimental verification
3 结果与分析
本研究以磷酸铁锂电池为研究对象,从结构参数、冷却介质、放电倍率和环境温度4个方面分析了其对液冷板冷却性能及压力损失的影响,并基于正交试验对液冷板结构进行优化设计。
3.1 3种结构方案温升特性对比
为探究不同流道结构与电池包散热效果的关系,本文针对采用3种流道结构的电池包在1C放电倍率工况下,对图3(a)、(b)、(c)电池内部的最高温度、平均温度以及压降进行数据监测,如图7所示。
图7 3种流道结构数值模拟曲线图
Figure 7 Numerical simulation curves of three runner structures
在电池包1C倍率放电情况下,由于电芯单体继续产热,电池组最高温度随着放电工况的进行持续上升。由图7(a) 可知,平行流道结构1 800 s后最高温度呈下降趋势,即电芯单体的产热速率与液冷板冷却速率在该点达到平衡状态,而增设倾斜角流道和仿生流道在1 080 s后就呈现下降趋势,放电完成后,3种流道下的最高温度分别维持在38.90,38.06,37.17 ℃。由图7(b) 可知,随着冷却介质流经管道,3种结构下的电池模组平均温度均呈持续下降的趋势,在放电完成后,3种流道下的平均温度分别维持在32.58,32.82,31.85 ℃。由图7(c)可知,放电结束后,3种方案在冷却液流动过程中产生的压力损失分别为28.3,12.6,18.1 kPa,方案一平行流道由于出入口在一侧,其压力损失较大及能耗较高,而另外两种方案压力损失较小。
综上所述,仿生流道散热结构相较于传统平行流道在电池模组温度性能、冷却速率和压力损失上均得到了较大改善,其中最高温度降低了1.73 ℃,平均温度降低了0.97 ℃,压力损失降低了40.7%。
3.2 不同结构参数对电池温升特性的影响
考虑液冷板流道结构深度和宽度对冷却性能的影响,本文分别选取4种流道宽度和流道深度结构尺寸,并选取电池模组Z方向上的截面,如图8所示,分析结构参数对液冷板冷却性能的影响。
图8 截面位置示意图
Figure 8 Section position diagram
不同结构参数下电池包温度分布如图9和图10所示。由图9和图10可知,流道宽度分别选取21,27,31,33 mm 4种结构尺寸,其平均温度和最高温度随着流道宽度的增大而降低,并且电池模组Z方向上截面的温差随之降低。此外,当流道深度分别选取2.5,3.0,3.5,4.0 mm,可知随着流道深度尺寸的增加,电池组最高温度和平均温度逐渐增大,而温差呈现随之减小的情况。
图9 不同结构参数下电池包温度场分布
Figure 9 Temperature field distribution of different structural parameters
图10 不同结构参数下电池包温度曲线图
Figure 10 Temperature profiles with different structural parameters
3.3 正交试验设计
根据液冷板的结构特点,选择流道宽度W、流道深度D以及倾斜角度α这3个关键结构参数作为可变因素,对温度特性的影响规律进行分析;以电池组的最大温度和平均温度作为优化目标,设计3因素4水平正交实验,共生成16组试验方案。
表2为液冷板结构参数变化水平,并根据16组试验建立电池包三维模型,探究3个关键参数对仿生液冷板结构冷却性能的影响效果,并找出所对应的最优结构参数。
表2 液冷板结构参数变化水平表
Table 2 Levels of change in structural parameters
水平W/mmD/mmα/℃L1212.595L2273.0100L3313.5105L4334.0110
为了得出各参数对于仿生液冷板在冷却过程中的影响程度,通过计算各参数水平平均值以及所对应的极差进行分析,结果如表3所示。
表3 正交试验表及结果分析
Table 3 Orthogonal experiment level grouping table
序号W/mmD/mmα/℃Tmax/℃1212.511037.852213.010537.913213.510038.054214.09538.195272.510537.176273.011037.87273.59537.938274.010038.149312.510037.6910313.09537.8311313.511037.9512314.010537.2813332.59537.7214333.010037.3415333.510537.4416334.011038.02k138.0037.6337.92k237.7637.7237.81k337.6937.8437.45k437.6337.9137.91极差0.370.280.47
由表3可以看出,倾斜角度α对仿生液冷板的冷却性能影响最为显著,即3个关键参数对仿生液冷板冷却性能的影响程度依次是倾斜角度α、流道深度D、流道宽度W。此外,根据极差分析后得出的最优组合为流道宽度为33 mm,流道深度为2.5 mm,倾斜角度为105°。将结构参数优化后的液冷板模型集成到电池包中,并对其进行数值模拟分析,可知电池模组最大温度值为36.38 ℃,相较于优化前降低了0.79 ℃,平均温度为31.51 ℃,相较于优化前降低了0.51 ℃,电芯表面温差降低0.54 ℃。
3.4 冷却介质对电池温升特性的影响
在新型液冷板结构优化后的基础上,分别选取10,15,20,30,40,50 L/min的冷却液流速,探讨质量流量流速对电池包温升特性的影响。电池模组的温度场云图如图11所示,可知随着冷却液流速的增大,电池包的温度得到有效降低。在计算分析过程中,对电芯单体内部的最高温度和平均温度进行数据监测,结果如图12所示。
图11 不同质量流量下电池包温度云图
Figure 11 Battery pack temperature cloud at different mass flow rates
图12 不同质量流量下电池包温度曲线图
Figure 12 Temperature profile of battery pack at different mass flow rates
由图12(a)可知,随着质量流量入口流速的增大,电池模组的最高温度逐渐降低。在10 L/min至30 L/min流速下,变化趋势较为明显,电池模组放电完成后最高温度分别为37.18,36.38,36.07,35.58 ℃;在流速30 L/min之后的变化过程中,变化趋势不显著;在50 L/min时,最高温度为35.15 ℃,仅比入口流速为30 L/min时少了0.43 ℃。这是因为冷却液在流道入口段局部传热系数高,沿着流动方向逐渐降低并趋于稳定。由图12(b)可知,电池模组的平均温度在质量流量流速30 L/min之后,随着入口流速增加,温度下降趋势逐渐缓慢。显然,增加质量流量入口流速可以显著改善电池模组的冷却效果,但进一步地增加入口流速时,其改善效果逐渐减小。
选取质量流量入口流速为30 L/min,参考Fu等[30]的研究,分析碳氢化合物(PAO和AC-110)、脂类(DF-7)、硅油(Si-oil)和水基液(W-E)5种冷却液对电池包温升特性的影响。本文水基液选用的是体积分数为50%的乙二醇溶液,冷却液的物性参数如表4所示。根据表4的物性参数进行仿真参数设置,进行不同冷却介质下的电池包仿真分析,对计算过程中的电池模组温度和冷却液出入口压降进行数据监测,结果如图13和图14所示。
表4 不同冷却介质物性参数
Table 4 Physical parameters of different cooling media
类型冷却介质密度/(kg·m-3)比热容/(J·kg-1·K-1)导热系数/(W·m-1·K-1)动力黏度/(kg·m-1·s-1)碳氢化合物PAO80022410.140.00408AC-11082020600.140.02017酯类DF-792019070.130.01509硅油Si-oil97013700.150.96437水基液W-E107134860.420.00315
图13 不同冷却介质下电池包温度变化图
Figure 13 Temperature change diagram of battery pack with different cooling media
图14 不同冷却介质下液冷板压降变化图
Figure 14 Variation diagram of pressure drop of liquid cooling plate with different cooling media
由图13可知,在5种冷却介质中,W-E的冷却性能最好,电池包最大温度和表面温差最小,分别为35.58 ℃和0.78 ℃。这是因为W-E是一种水基流体,具有更高的比热容和导热系数,可以带走更多的热量,而Si-oil的冷却性能最差是因为其动力黏度较大,流动性能差。4种介质(硅油除外)冷却下,电芯表面温差均未超过1 ℃,这表明在不同冷却介质下,新型流道结构散热效果相对均匀。
由图14可知,Si-oil的动力黏度最大,在冷却剂流经管道时,黏度较高的冷却液会导致较高的流动阻力。由于动力黏度值的影响,硅油的压降整体较大,但其余4种的压降在可接受范围内,其中水基液的压降最小,为40.3 kPa。因此,在选择冷却介质时,应该考虑冷却液的动力黏度参数,这影响到液冷板的能耗损失。
3.5 不同工作条件对电池温升特性的影响
质量流量入口温度为20 ℃,从放电倍率和环境温度两个方面分析不同条件下电池模组的温升特性,结果如表5所示。
表5 不同条件下电池包温度值
Table 5 Battery temperature with different conditions
温度/℃放电倍率Tmax/℃ΔT/℃0.5C28.960.70381C35.580.791.5C45.080.922C57.131.07501C39.701.23601C43.141.60701C45.581.96
环境温度为38 ℃,电池模组在较低放电倍率(0.5C、1C和1.5C)下工作时,其最高温度不超过45.08 ℃,电池表面温差小于1 ℃;当在较高放电倍率(2C)下工作时,电池的最高温度已高于50 ℃,工作环境开始恶化。此外,在不同放电倍率下,电池包表面温差出现持续增长的情况,在2C放电倍率下,温差为1.07 ℃,属于可接受范围。
放电倍率为1C时,在环境温度38～70 ℃之间运行,电池模组最高温度小于46 ℃,表面温差小于2 ℃;液冷板在70 ℃环境温度下,电池模组最高温度在45 ℃左右,均处于合理范围内。但随着环境温度继续增加,电池模组最高温度可能会高于50 ℃,此时需要从多方面因素改善冷却的初始条件来达到降低温度的目的。
4 结论
(1)相同条件下,仿生血管流道散热结构相较于传统平行流道结构,最高温度和平均温度分别降低了1.73 ℃和0.97 ℃,电芯表面温差降低了0.86 ℃,冷却液流动压力损失降低了40.7%,液冷板冷却速率、散热性能及能耗损失均得到很大改善。
(2)流道结构宽度对液冷板的冷却性能影响最大,其次分别是流道深度和倾斜角度。优化后的液冷板在流道宽度为33 mm、流道深度为2.5 mm和倾斜角度为105°时,冷却效果最好,其最高温度为36.38 ℃,平均温度为31.51 ℃,分别降低了0.79 ℃和0.51 ℃,电芯表面温差降低了0.54 ℃。
(3)增加质量流量入口流速可以显著降低电池模组温度和温差,但当入口流速增加到30 L/min之后,改善效果减弱。因冷却液W-E更高的比热容和导热系数,其冷却性能最好,Si-oil较高的动力黏度致其压力损失较大。
(4)低放电倍率(0.5C、1C和1.5C)工作下,环境温度为38 ℃时,电池模组最高温度不超过45.08 ℃,表面温差小于1 ℃;而在2C放电倍率下,电池模组表面温差虽为1.07 ℃,但其最高温度已高于50 ℃,工作环境开始恶化。1C放电倍率下,在38～70 ℃之间,电池模组最高温度小于46 ℃左右,表面温差小于2 ℃,均处于合理范围内。
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