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不同冷卻介質(zhì)對(duì)鋰離子棱柱電池?zé)峁芾淼挠绊?/h1>
2023-10-26 15:15:46· 來源：AutoAero
摘 要
鋰離子電池在汽車領(lǐng)域有著突出的用途。所有制造混合動(dòng)力汽車(hev)和電動(dòng)汽車(ev)的主要原始設(shè)備制造商都會(huì)用到鋰電池，并且在未來幾十年仍將繼續(xù)使用鋰電池。但這些電池在工作過程中，容易受到環(huán)境和電池因素的影響。當(dāng)前輸入或輸出的電量會(huì)影響電池的內(nèi)阻和溫度。因此，鋰離子電池在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)于為混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的熱管理系統(tǒng)(TMS)至關(guān)重要。為此，必須為車輛選擇合適的鋰離子電池組冷卻機(jī)制，并建立最佳冷卻條件，將溫度保持在15至35°C的安全范圍內(nèi)，這對(duì)提高電池的性能、安全性和壽命至關(guān)重要。對(duì)于高能鋰離子電池模塊，這項(xiàng)工作提供了空氣型和液體型熱管理系統(tǒng)的比較。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)不同流體條件下熱管理系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行了研究。在本研究中，12v模塊由5個(gè)棱柱形袋狀電池組成，并在所有情況下提供初始恒定熱流。不同的冷卻劑(即空氣、含乙二醇的水和納米冷卻劑)在不同流速和成分下對(duì)模塊熱行為的影響進(jìn)行了評(píng)估和比較。空氣、乙二醇和水的流速分別為0.5、1.0、1.5和2.0米/秒，而納米冷卻劑的流速為1.0米/秒。隨著納米冷卻劑流量的增加，鋰離子溫度下降到最佳范圍以下，從而影響其性能。這項(xiàng)研究的結(jié)果將用于開發(fā)更有效的節(jié)能電池溫度管理系統(tǒng)，并廣泛采用納米冷卻劑用于鋰電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米流體的降溫效果優(yōu)于空氣冷卻和水+乙二醇冷卻，分別提高了5.04%和2.97%。
01 前 言
鋰離子（Li-ion）電池對(duì)充電和放電電流等操作條件的變化非常敏感，這會(huì)導(dǎo)致溫度升高。充電狀態(tài)（SOC）和工作溫度的影響也可能影響電池的內(nèi)部溫度。溫度升高可能導(dǎo)致局部熱失控。因此，需要確定電池參數(shù)，如SOC，健康狀態(tài)（SOH）和功能狀態(tài)（SOF），以通知車輛控制器持久安全。由于，通過常規(guī)的水冷卻，有限的冷卻效率得以實(shí)現(xiàn)。流速的增加顯著引起電池溫度降低但達(dá)到一定水平。之后，功耗迅速增加。這就是為什么有效冷卻納米流體被認(rèn)為為電池?zé)峁芾硖峁┲鲃?dòng)冷卻。由于其極高的導(dǎo)熱性，納米粒子被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生優(yōu)異的結(jié)果。氧化鋁在常用的納米粒子中具有最高的熱導(dǎo)率（40.0Wm-K）和最低的比熱（765.0Jkg-K）。然而，為了獲得最佳的電池冷卻性能，應(yīng)使用足量的納米粒子被加入到水中。因此，比較了不同的納米流體及其對(duì)典型電池模塊內(nèi)溫度分布的影響，并分析了納米流體在鋰離子電池中的熱控制效果。結(jié)果提供了關(guān)于電池性能，高充電放電率下的散熱能力和環(huán)境溫度的見解。所述分析可以進(jìn)一步擴(kuò)展以觀察基于將冷卻劑施加到電池的不同位置的性能。王等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)由放置在模塊頂部的風(fēng)扇提供強(qiáng)制空氣冷卻時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了最佳的冷卻性能。為此，在冷卻效果和成本方面期望立方結(jié)構(gòu)，而在空間約束方面期望六邊形結(jié)構(gòu)。此外，有效的熱冷卻可導(dǎo)致電池的能耗降低，從而延長其壽命。杜等人得出的啟示是，當(dāng)放電速率分別為1C和1.5C時(shí)，將83.2％和49％的能量消耗分別應(yīng)用于具有18個(gè)圓柱形電池的兩個(gè)電池模塊。通過增加冷卻通道尺寸，電池的溫度可以進(jìn)一步降低，但達(dá)到一定水平。此外，Mohammadian等人通過使用液體電解質(zhì)和水溶液比較內(nèi)部和外部冷卻對(duì)棱柱形鋰離子電池的影響。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于0.024w的泵送功率，內(nèi)部冷卻使電池溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了外部冷卻的5倍以上。除了通過流體冷卻外，Yeow等人表明鋁（Al）板充當(dāng)細(xì)胞和冷板之間的橋梁，雙冷板冷卻產(chǎn)生的冷卻能力是單冷板冷卻的兩倍。
陳等人還研究了熱行為鋰離子電池，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)全面的3d熱模型，該模型考慮了同時(shí)定位的凹痕對(duì)流和輻射，以提高邊界精度。因此，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)表面溫度分布不對(duì)稱和溫度分布異常等基本現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)表面的散熱性能差異，最高溫度發(fā)生在電池核心以下。此外，在YandZ方向上的熱傳輸更大，這就是為什么金屬外殼有效地將熱量分布在表面上的原因。趙等人分析觀察了通道尺寸，質(zhì)量流量，流動(dòng)方向和入口尺寸對(duì)散熱的影響。他們得出結(jié)論，當(dāng)微型通道數(shù)少于4個(gè)，入口質(zhì)量流量為1×10-3公斤時(shí)，42,110個(gè)圓柱形電池的最高溫度可保持在40℃以下。鄧等人研究了矩形鋰離子動(dòng)力電池采用蛇形通道排列的U型管液體冷卻技術(shù)的冷板。仿真結(jié)果表明，具有五個(gè)通道的最長流向通道配置提供了優(yōu)越的冷卻效果。冷卻液的輸入對(duì)溫度和壓降的標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎沒有影響。冷板的最高溫度隨著冷卻液溫度的升高而升高，因此冷卻液溫度應(yīng)保持在最低水平。楊等人提出了用于電池?zé)峁芾淼囊簯B(tài)金屬型冷卻劑，并將其與水冷卻進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，液態(tài)金屬在高功率消耗、電池故障和高環(huán)境溫度等方面具有優(yōu)越的冷卻性能，在較低的泵功率使用下提供較低和均勻的模塊溫度。鄧等人研究了不同的液體，如水和油，以及添加劑，如納米顆粒，在其質(zhì)量和應(yīng)用方面進(jìn)行了比較。主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻、內(nèi)部冷卻和外部冷卻、直接冷卻和間接冷卻以及直接冷卻和間接冷卻的區(qū)別都在液體冷卻系統(tǒng)的分類中進(jìn)行了介紹。對(duì)于電池組設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案上對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)組合以及直接和間接冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。陳等人提出并研究一種氨水聯(lián)合動(dòng)力和冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，儲(chǔ)存在內(nèi)燃（IC）發(fā)動(dòng)機(jī)的夾套水和廢氣中的廢熱可以被有效地回收。該組合系統(tǒng)的等效熱效率為19.76%，最大輸出為92.86千瓦，即能源效率為33.69%。劉等人針對(duì)使用化學(xué)還原法在銅（Cu）存在下的水的導(dǎo)熱系數(shù)。Cu-水納米流體具有小于0.2vol%的體積濃度。結(jié)果表明，具有低濃度納米柱的Cu–水納米流體提供比正常水基更高的熱導(dǎo)率，即對(duì)于0.1vol%的Cu，導(dǎo)熱系數(shù)提高了23.8％。
滕等人研究了分散在四種不同濃度（0.5,1.0,1.5和2.0wt）的標(biāo)稱直徑（20,50和100nm）下的氧化鋁（Al2O3）水納米流體的導(dǎo)熱率作為粒度，溫度和重量分?jǐn)?shù)的函數(shù)）對(duì)于工作溫度（10，30，50°C）在該實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了調(diào)查。研究結(jié)果揭示了高導(dǎo)熱率與靈敏度增加之間的聯(lián)系，以及小納米顆粒尺寸與較高溫度之間的聯(lián)系。趙等人所提出的模型在71個(gè)18650型電池上包含一個(gè)蛇形通道液體冷卻系統(tǒng)。本文采用了兩種策略，即方法1中的多個(gè)短通道和方法2中的電池和冷卻劑通道之間的有序放大接觸區(qū)域。在5C放電期間，兩種技術(shù)的電池模塊兩端的最大溫差分別為2.2K和0.7K。Yetik和Karakoc建議兩種不同的基礎(chǔ)液體，即水和乙二醇以及納米粒子（Fe2O3）的三種不同體積分?jǐn)?shù)（1％，2％和5％），以研究納米流體對(duì)鋰離子電池?zé)峁芾淼挠绊?。調(diào)查以四種不同的放電率（1.0、1.5、2.0和2.5）對(duì)15個(gè)電池模塊進(jìn)行。結(jié)果表明，由于水具有比乙二醇更好的導(dǎo)熱系數(shù)，水具有最佳的納米流體冷卻劑參數(shù)。電池的C率升高時(shí)電池模塊的溫度升高。此外，增加了納米流體的體積分?jǐn)?shù)和折射速度，模塊冷卻速度更快。因此，在比較不同冷卻劑的溫度降低方面，對(duì)鋰離子棱柱電池進(jìn)行了很少的研究。這項(xiàng)工作是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗诤狭思{米顆粒Al2O3在加入50%水+50%MEG溶液時(shí)充當(dāng)冷卻劑。這項(xiàng)工作是對(duì)以前在這一領(lǐng)域所做的工作的獨(dú)特延伸。
02 研究方法
棱柱型鋰離子電池比圓柱形鋰離子電池更薄、更輕(圖1)。這些電池采用矩形鋁或鋼外殼，比圓柱形電池壽命更長，但更難保持低溫。另一方面，棱柱狀單元的各種形式和尺寸為工程師提供了額外的設(shè)計(jì)自由度，可以堆疊它們(因?yàn)樗鼈兊木匦涡螤?，并有可能減少它們?cè)谪浳镏姓加玫膶氋F空間。
圖1 單電芯結(jié)構(gòu)
對(duì)尺寸為169mm寬、179mm長、15mm厚的棱鏡型鋰離子電池進(jìn)行建模。石墨用作陽極，而NMC和MnO2用作陰極。在ANSYS/Fluent中，根據(jù)電池的形狀和結(jié)構(gòu)建立電池的三維模型(圖2)。該模型由三部分組成:有源體積、正標(biāo)簽和負(fù)標(biāo)簽。堆疊結(jié)構(gòu)由活性體表示，活性體包括正負(fù)活性材料、分離層、鋁箔和銅箔。通過細(xì)胞的電流流動(dòng)被收集使用正和負(fù)標(biāo)簽。給出了溫度數(shù)據(jù)，并模擬了電池的1℃和2℃放電額定值。
圖2 電芯網(wǎng)格生成圖
在對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，考慮了五個(gè)單元的組合，并在ANSYS Fluent中進(jìn)行了建模。冷卻材料在電池組周圍流動(dòng)。圖3為模擬冷卻液的入口和出口。
圖3 棱柱電池模組與冷卻流體流動(dòng)條件
風(fēng)冷和水冷仿真
冷卻介質(zhì)流過兩個(gè)電池之間的間隙并直接接觸電池表面（圖4）。運(yùn)行一系列模擬以確定修改冷卻劑流速對(duì)電池表面溫度的影響。使用瞬態(tài)求解器來比較不同的流體，仿真最多完成25個(gè)時(shí)間步，圖5表示出了流體流動(dòng)狀態(tài)。
圖4 冷卻介質(zhì)網(wǎng)格圖
圖5 冷卻流體結(jié)構(gòu)
納米流體冷卻仿真
將金屬顆粒添加到普通流體中以形成納米流體。將Al2O3顆粒加入到水和MEG溶液中，生成Al2O3納米流體溶液。在乙醇-水中加入氧化鋁，只要加入0.5%的Al2O3作為體積分?jǐn)?shù)，就能使乙醇-水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)提高0.05 W/(m-K)。在Fluent中選擇多相域來模擬Al2O3顆粒與水和MEG的混合物的納米流體。對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體進(jìn)行了冷卻模擬，納米顆粒和流體的性質(zhì)如表1所示。表1 冷卻流體熱物性參數(shù)
03 結(jié)果與討論
單電芯產(chǎn)熱
熱管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效設(shè)計(jì)需要對(duì)鋰離子電池在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量有基本的了解。溫度對(duì)電池的容量、功率和壽命影響很大。
電池的C值是由充電或放電所需的時(shí)間來定義的。利用MSMD模塊在一個(gè)流體單細(xì)胞中進(jìn)行了測(cè)試，得到了熱流密度。電池芯溫度隨著電池C額定值的增加而升高(圖6)。在電池C額定值時(shí)，計(jì)算得到的熱流密度為101.96 W/m2，在321 K時(shí)觀察到相應(yīng)的溫度。
圖6 單電芯表面溫度隨時(shí)間和放電倍率的變化
空氣作為冷卻介質(zhì)
電池的表面溫度降低是不均勻的，這是由于狹窄空間內(nèi)的流動(dòng)狀況以及溫度梯度的變化，模塊表面最熱的區(qū)域位于模塊背面附近。由于從電池到空氣的熱量傳遞與冷卻通道內(nèi)空氣的溫度和流速成正比，因此冷卻通道內(nèi)氣流的減少和溫度的升高由前向后，導(dǎo)致模塊最熱的區(qū)域暴露在后側(cè)附近。空氣通過冷卻通道時(shí)溫度升高。因此，排氣歧管內(nèi)的空氣溫度遠(yuǎn)高于進(jìn)氣歧管。在圖7中，當(dāng)氣流速率為0.5 m/s時(shí)，電池溫度從342 K下降到320 K。當(dāng)流速增加到1 m/s時(shí)，溫度從322 K下降到307 K。當(dāng)氣流速率進(jìn)一步升高1.5 m/s時(shí)，溫度從315 K下降到303 K。當(dāng)氣流速率增加2 m/s時(shí)，溫度從309 K進(jìn)一步下降到301 K。因此，隨著流量的增加，電池芯的溫度顯著下降，這是空氣對(duì)流冷卻的結(jié)果。
圖7 空氣冷卻速度變化
水作為冷卻介質(zhì)
與風(fēng)冷相似，由于冷卻通道內(nèi)的流體流量由前向后減少，流體溫度升高，因此模塊表面最熱的區(qū)域位于模塊后側(cè)附近。
在圖8中，當(dāng)水流速度為0.5 m/s時(shí)，電池溫度從326 K下降到314 K。當(dāng)流速增加到1m/s時(shí)，溫度從319 K下降到306 K。水流速率進(jìn)一步升高1.5 m/s，會(huì)影響溫度從315 K降至303 K。將水流速提高2 m/s后，溫度從310 K降至301 K。因此，隨著流量的增加，進(jìn)口和出口之間的平均溫差增大，即冷卻效果增加，這與空氣冷卻中觀察到的情況相似。
水+ MEG(單乙二醇)冷卻比空氣冷卻更有效，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱比空氣高，因此可以有效地吸收電池釋放的熱量。
圖8 水冷速度變化
納米流體作為冷卻介質(zhì)
在進(jìn)口側(cè)附近，由于流速最大，進(jìn)口流體溫度較低，溫度降至296 K。當(dāng)它接近出口時(shí)，由于溫度梯度的減小，表面溫度略微升高至304 K(圖9)。隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)增加，而粘度和密度降低。因此，納米流體可以在更高的溫度下表現(xiàn)出更好的性能。Al2O3具有較低的熱性能，提高了溶液的冷卻效率。提高進(jìn)口溫度會(huì)使溫升速度變慢，從而降低溫度梯度。從圖9中可以看出，納米流體最適合冷卻操作，因?yàn)樗鼈儗㈦姵氐臏囟葟?37K降低到304K，這是在0.1 m/s的流速下獲得的。在圖10中，所討論的冷卻流體是一種納米流體，其基礎(chǔ)流體由水和二甘醇的組合組成，以及各種體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定懸浮納米顆粒。體積分?jǐn)?shù)是納米顆粒的體積與納米流體的體積之比。隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，納米流體的出口溫度也隨之升高，表明納米流體的換熱系數(shù)隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。過量納米粒子的加入會(huì)增加泵送的力度。
圖9 用Al2O3納米流體冷卻的電池表面溫度
圖10 不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體出口溫度
04 結(jié) 論
在風(fēng)冷和液冷組件中，增加冷卻劑流量降低了電池表面的平均溫度。在相同功耗范圍內(nèi)，液冷模塊的最高表面溫度低于風(fēng)冷模塊。出口和進(jìn)口流體溫度之間的最大溫差在低質(zhì)量流量區(qū)域觀察到?？諝饫鋮s使電池表面的平均溫度從337 K降低到321 K。水冷卻使電池表面的平均溫度從337 K降低到314 K。風(fēng)冷降溫效果為4.75%，水冷降溫效果為6.82%。所提出的納米冷卻劑(Al2O3 + MEG + H2O)在1 m/s流速下，將電池表面的平均溫度從337 K降低到304 K，即溫度降低了9.79%。納米流體的降溫效果優(yōu)于空冷和水+乙二醇冷卻，分別比空冷和水+乙二醇冷卻分別提高5.04%和2.97%
文獻(xiàn)來源:
Baviskar, S., Chatterjee, D., Jawale, K.C., and Rammohan, A., “Battery Thermal Management of Lithium Prismatic Cell Battery by Using Different Coolants,” SAE Technical Paper 2023-01-5059, 2023, doi:10.4271/2023-01-5059.
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摘 要
鋰離子電池在汽車領(lǐng)域有著突出的用途。所有制造混合動(dòng)力汽車(hev)和電動(dòng)汽車(ev)的主要原始設(shè)備制造商都會(huì)用到鋰電池，并且在未來幾十年仍將繼續(xù)使用鋰電池。但這些電池在工作過程中，容易受到環(huán)境和電池因素的影響。當(dāng)前輸入或輸出的電量會(huì)影響電池的內(nèi)阻和溫度。因此，鋰離子電池在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量對(duì)于為混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的熱管理系統(tǒng)(TMS)至關(guān)重要。為此，必須為車輛選擇合適的鋰離子電池組冷卻機(jī)制，并建立最佳冷卻條件，將溫度保持在15至35°C的安全范圍內(nèi)，這對(duì)提高電池的性能、安全性和壽命至關(guān)重要。對(duì)于高能鋰離子電池模塊，這項(xiàng)工作提供了空氣型和液體型熱管理系統(tǒng)的比較。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)不同流體條件下熱管理系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行了研究。在本研究中，12v模塊由5個(gè)棱柱形袋狀電池組成，并在所有情況下提供初始恒定熱流。不同的冷卻劑(即空氣、含乙二醇的水和納米冷卻劑)在不同流速和成分下對(duì)模塊熱行為的影響進(jìn)行了評(píng)估和比較。空氣、乙二醇和水的流速分別為0.5、1.0、1.5和2.0米/秒，而納米冷卻劑的流速為1.0米/秒。隨著納米冷卻劑流量的增加，鋰離子溫度下降到最佳范圍以下，從而影響其性能。這項(xiàng)研究的結(jié)果將用于開發(fā)更有效的節(jié)能電池溫度管理系統(tǒng)，并廣泛采用納米冷卻劑用于鋰電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米流體的降溫效果優(yōu)于空氣冷卻和水+乙二醇冷卻，分別提高了5.04%和2.97%。
01 前 言
鋰離子（Li-ion）電池對(duì)充電和放電電流等操作條件的變化非常敏感，這會(huì)導(dǎo)致溫度升高。充電狀態(tài)（SOC）和工作溫度的影響也可能影響電池的內(nèi)部溫度。溫度升高可能導(dǎo)致局部熱失控。因此，需要確定電池參數(shù)，如SOC，健康狀態(tài)（SOH）和功能狀態(tài)（SOF），以通知車輛控制器持久安全。由于，通過常規(guī)的水冷卻，有限的冷卻效率得以實(shí)現(xiàn)。流速的增加顯著引起電池溫度降低但達(dá)到一定水平。之后，功耗迅速增加。這就是為什么有效冷卻納米流體被認(rèn)為為電池?zé)峁芾硖峁┲鲃?dòng)冷卻。由于其極高的導(dǎo)熱性，納米粒子被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生優(yōu)異的結(jié)果。氧化鋁在常用的納米粒子中具有最高的熱導(dǎo)率（40.0Wm-K）和最低的比熱（765.0Jkg-K）。然而，為了獲得最佳的電池冷卻性能，應(yīng)使用足量的納米粒子被加入到水中。因此，比較了不同的納米流體及其對(duì)典型電池模塊內(nèi)溫度分布的影響，并分析了納米流體在鋰離子電池中的熱控制效果。結(jié)果提供了關(guān)于電池性能，高充電放電率下的散熱能力和環(huán)境溫度的見解。所述分析可以進(jìn)一步擴(kuò)展以觀察基于將冷卻劑施加到電池的不同位置的性能。王等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)由放置在模塊頂部的風(fēng)扇提供強(qiáng)制空氣冷卻時(shí)，它實(shí)現(xiàn)了最佳的冷卻性能。為此，在冷卻效果和成本方面期望立方結(jié)構(gòu)，而在空間約束方面期望六邊形結(jié)構(gòu)。此外，有效的熱冷卻可導(dǎo)致電池的能耗降低，從而延長其壽命。杜等人得出的啟示是，當(dāng)放電速率分別為1C和1.5C時(shí)，將83.2％和49％的能量消耗分別應(yīng)用于具有18個(gè)圓柱形電池的兩個(gè)電池模塊。通過增加冷卻通道尺寸，電池的溫度可以進(jìn)一步降低，但達(dá)到一定水平。此外，Mohammadian等人通過使用液體電解質(zhì)和水溶液比較內(nèi)部和外部冷卻對(duì)棱柱形鋰離子電池的影響。他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于0.024w的泵送功率，內(nèi)部冷卻使電池溫度的標(biāo)準(zhǔn)偏差降低了外部冷卻的5倍以上。除了通過流體冷卻外，Yeow等人表明鋁（Al）板充當(dāng)細(xì)胞和冷板之間的橋梁，雙冷板冷卻產(chǎn)生的冷卻能力是單冷板冷卻的兩倍。
陳等人還研究了熱行為鋰離子電池，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)全面的3d熱模型，該模型考慮了同時(shí)定位的凹痕對(duì)流和輻射，以提高邊界精度。因此，可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)表面溫度分布不對(duì)稱和溫度分布異常等基本現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，由于每個(gè)表面的散熱性能差異，最高溫度發(fā)生在電池核心以下。此外，在YandZ方向上的熱傳輸更大，這就是為什么金屬外殼有效地將熱量分布在表面上的原因。趙等人分析觀察了通道尺寸，質(zhì)量流量，流動(dòng)方向和入口尺寸對(duì)散熱的影響。他們得出結(jié)論，當(dāng)微型通道數(shù)少于4個(gè)，入口質(zhì)量流量為1×10-3公斤時(shí)，42,110個(gè)圓柱形電池的最高溫度可保持在40℃以下。鄧等人研究了矩形鋰離子動(dòng)力電池采用蛇形通道排列的U型管液體冷卻技術(shù)的冷板。仿真結(jié)果表明，具有五個(gè)通道的最長流向通道配置提供了優(yōu)越的冷卻效果。冷卻液的輸入對(duì)溫度和壓降的標(biāo)準(zhǔn)偏差幾乎沒有影響。冷板的最高溫度隨著冷卻液溫度的升高而升高，因此冷卻液溫度應(yīng)保持在最低水平。楊等人提出了用于電池?zé)峁芾淼囊簯B(tài)金屬型冷卻劑，并將其與水冷卻進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，液態(tài)金屬在高功率消耗、電池故障和高環(huán)境溫度等方面具有優(yōu)越的冷卻性能，在較低的泵功率使用下提供較低和均勻的模塊溫度。鄧等人研究了不同的液體，如水和油，以及添加劑，如納米顆粒，在其質(zhì)量和應(yīng)用方面進(jìn)行了比較。主動(dòng)冷卻和被動(dòng)冷卻、內(nèi)部冷卻和外部冷卻、直接冷卻和間接冷卻以及直接冷卻和間接冷卻的區(qū)別都在液體冷卻系統(tǒng)的分類中進(jìn)行了介紹。對(duì)于電池組設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方案上對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)組合以及直接和間接冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。陳等人提出并研究一種氨水聯(lián)合動(dòng)力和冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，儲(chǔ)存在內(nèi)燃（IC）發(fā)動(dòng)機(jī)的夾套水和廢氣中的廢熱可以被有效地回收。該組合系統(tǒng)的等效熱效率為19.76%，最大輸出為92.86千瓦，即能源效率為33.69%。劉等人針對(duì)使用化學(xué)還原法在銅（Cu）存在下的水的導(dǎo)熱系數(shù)。Cu-水納米流體具有小于0.2vol%的體積濃度。結(jié)果表明，具有低濃度納米柱的Cu–水納米流體提供比正常水基更高的熱導(dǎo)率，即對(duì)于0.1vol%的Cu，導(dǎo)熱系數(shù)提高了23.8％。
滕等人研究了分散在四種不同濃度（0.5,1.0,1.5和2.0wt）的標(biāo)稱直徑（20,50和100nm）下的氧化鋁（Al2O3）水納米流體的導(dǎo)熱率作為粒度，溫度和重量分?jǐn)?shù)的函數(shù)）對(duì)于工作溫度（10，30，50°C）在該實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了調(diào)查。研究結(jié)果揭示了高導(dǎo)熱率與靈敏度增加之間的聯(lián)系，以及小納米顆粒尺寸與較高溫度之間的聯(lián)系。趙等人所提出的模型在71個(gè)18650型電池上包含一個(gè)蛇形通道液體冷卻系統(tǒng)。本文采用了兩種策略，即方法1中的多個(gè)短通道和方法2中的電池和冷卻劑通道之間的有序放大接觸區(qū)域。在5C放電期間，兩種技術(shù)的電池模塊兩端的最大溫差分別為2.2K和0.7K。Yetik和Karakoc建議兩種不同的基礎(chǔ)液體，即水和乙二醇以及納米粒子（Fe2O3）的三種不同體積分?jǐn)?shù)（1％，2％和5％），以研究納米流體對(duì)鋰離子電池?zé)峁芾淼挠绊?。調(diào)查以四種不同的放電率（1.0、1.5、2.0和2.5）對(duì)15個(gè)電池模塊進(jìn)行。結(jié)果表明，由于水具有比乙二醇更好的導(dǎo)熱系數(shù)，水具有最佳的納米流體冷卻劑參數(shù)。電池的C率升高時(shí)電池模塊的溫度升高。此外，增加了納米流體的體積分?jǐn)?shù)和折射速度，模塊冷卻速度更快。因此，在比較不同冷卻劑的溫度降低方面，對(duì)鋰離子棱柱電池進(jìn)行了很少的研究。這項(xiàng)工作是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗诤狭思{米顆粒Al2O3在加入50%水+50%MEG溶液時(shí)充當(dāng)冷卻劑。這項(xiàng)工作是對(duì)以前在這一領(lǐng)域所做的工作的獨(dú)特延伸。
02 研究方法
棱柱型鋰離子電池比圓柱形鋰離子電池更薄、更輕(圖1)。這些電池采用矩形鋁或鋼外殼，比圓柱形電池壽命更長，但更難保持低溫。另一方面，棱柱狀單元的各種形式和尺寸為工程師提供了額外的設(shè)計(jì)自由度，可以堆疊它們(因?yàn)樗鼈兊木匦涡螤?，并有可能減少它們?cè)谪浳镏姓加玫膶氋F空間。
圖1 單電芯結(jié)構(gòu)
對(duì)尺寸為169mm寬、179mm長、15mm厚的棱鏡型鋰離子電池進(jìn)行建模。石墨用作陽極，而NMC和MnO2用作陰極。在ANSYS/Fluent中，根據(jù)電池的形狀和結(jié)構(gòu)建立電池的三維模型(圖2)。該模型由三部分組成:有源體積、正標(biāo)簽和負(fù)標(biāo)簽。堆疊結(jié)構(gòu)由活性體表示，活性體包括正負(fù)活性材料、分離層、鋁箔和銅箔。通過細(xì)胞的電流流動(dòng)被收集使用正和負(fù)標(biāo)簽。給出了溫度數(shù)據(jù)，并模擬了電池的1℃和2℃放電額定值。
圖2 電芯網(wǎng)格生成圖
在對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，考慮了五個(gè)單元的組合，并在ANSYS Fluent中進(jìn)行了建模。冷卻材料在電池組周圍流動(dòng)。圖3為模擬冷卻液的入口和出口。
圖3 棱柱電池模組與冷卻流體流動(dòng)條件
風(fēng)冷和水冷仿真
冷卻介質(zhì)流過兩個(gè)電池之間的間隙并直接接觸電池表面（圖4）。運(yùn)行一系列模擬以確定修改冷卻劑流速對(duì)電池表面溫度的影響。使用瞬態(tài)求解器來比較不同的流體，仿真最多完成25個(gè)時(shí)間步，圖5表示出了流體流動(dòng)狀態(tài)。
圖4 冷卻介質(zhì)網(wǎng)格圖
圖5 冷卻流體結(jié)構(gòu)
納米流體冷卻仿真
將金屬顆粒添加到普通流體中以形成納米流體。將Al2O3顆粒加入到水和MEG溶液中，生成Al2O3納米流體溶液。在乙醇-水中加入氧化鋁，只要加入0.5%的Al2O3作為體積分?jǐn)?shù)，就能使乙醇-水混合物的導(dǎo)熱系數(shù)提高0.05 W/(m-K)。在Fluent中選擇多相域來模擬Al2O3顆粒與水和MEG的混合物的納米流體。對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體進(jìn)行了冷卻模擬，納米顆粒和流體的性質(zhì)如表1所示。表1 冷卻流體熱物性參數(shù)
03 結(jié)果與討論
單電芯產(chǎn)熱
熱管理系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)高效設(shè)計(jì)需要對(duì)鋰離子電池在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量有基本的了解。溫度對(duì)電池的容量、功率和壽命影響很大。電池的C值是由充電或放電所需的時(shí)間來定義的。利用MSMD模塊在一個(gè)流體單細(xì)胞中進(jìn)行了測(cè)試，得到了熱流密度。電池芯溫度隨著電池C額定值的增加而升高(圖6)。在電池C額定值時(shí)，計(jì)算得到的熱流密度為101.96 W/m2，在321 K時(shí)觀察到相應(yīng)的溫度。
圖6 單電芯表面溫度隨時(shí)間和放電倍率的變化
空氣作為冷卻介質(zhì)
電池的表面溫度降低是不均勻的，這是由于狹窄空間內(nèi)的流動(dòng)狀況以及溫度梯度的變化，模塊表面最熱的區(qū)域位于模塊背面附近。由于從電池到空氣的熱量傳遞與冷卻通道內(nèi)空氣的溫度和流速成正比，因此冷卻通道內(nèi)氣流的減少和溫度的升高由前向后，導(dǎo)致模塊最熱的區(qū)域暴露在后側(cè)附近。空氣通過冷卻通道時(shí)溫度升高。因此，排氣歧管內(nèi)的空氣溫度遠(yuǎn)高于進(jìn)氣歧管。在圖7中，當(dāng)氣流速率為0.5 m/s時(shí)，電池溫度從342 K下降到320 K。當(dāng)流速增加到1 m/s時(shí)，溫度從322 K下降到307 K。當(dāng)氣流速率進(jìn)一步升高1.5 m/s時(shí)，溫度從315 K下降到303 K。當(dāng)氣流速率增加2 m/s時(shí)，溫度從309 K進(jìn)一步下降到301 K。因此，隨著流量的增加，電池芯的溫度顯著下降，這是空氣對(duì)流冷卻的結(jié)果。
圖7 空氣冷卻速度變化
水作為冷卻介質(zhì)
與風(fēng)冷相似，由于冷卻通道內(nèi)的流體流量由前向后減少，流體溫度升高，因此模塊表面最熱的區(qū)域位于模塊后側(cè)附近。在圖8中，當(dāng)水流速度為0.5 m/s時(shí)，電池溫度從326 K下降到314 K。當(dāng)流速增加到1m/s時(shí)，溫度從319 K下降到306 K。水流速率進(jìn)一步升高1.5 m/s，會(huì)影響溫度從315 K降至303 K。將水流速提高2 m/s后，溫度從310 K降至301 K。因此，隨著流量的增加，進(jìn)口和出口之間的平均溫差增大，即冷卻效果增加，這與空氣冷卻中觀察到的情況相似。
水+ MEG(單乙二醇)冷卻比空氣冷卻更有效，因?yàn)樗膶?dǎo)熱系數(shù)和比熱比空氣高，因此可以有效地吸收電池釋放的熱量。
圖8 水冷速度變化
納米流體作為冷卻介質(zhì)
在進(jìn)口側(cè)附近，由于流速最大，進(jìn)口流體溫度較低，溫度降至296 K。當(dāng)它接近出口時(shí)，由于溫度梯度的減小，表面溫度略微升高至304 K(圖9)。隨著溫度的升高，導(dǎo)熱系數(shù)增加，而粘度和密度降低。因此，納米流體可以在更高的溫度下表現(xiàn)出更好的性能。Al2O3具有較低的熱性能，提高了溶液的冷卻效率。提高進(jìn)口溫度會(huì)使溫升速度變慢，從而降低溫度梯度。從圖9中可以看出，納米流體最適合冷卻操作，因?yàn)樗鼈儗㈦姵氐臏囟葟?37K降低到304K，這是在0.1 m/s的流速下獲得的。在圖10中，所討論的冷卻流體是一種納米流體，其基礎(chǔ)流體由水和二甘醇的組合組成，以及各種體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定懸浮納米顆粒。體積分?jǐn)?shù)是納米顆粒的體積與納米流體的體積之比。隨著體積分?jǐn)?shù)的增加，納米流體的出口溫度也隨之升高，表明納米流體的換熱系數(shù)隨體積分?jǐn)?shù)的增加而增大。過量納米粒子的加入會(huì)增加泵送的力度。
圖9 用Al2O3納米流體冷卻的電池表面溫度
圖10 不同體積分?jǐn)?shù)的納米流體出口溫度
04 結(jié) 論
在風(fēng)冷和液冷組件中，增加冷卻劑流量降低了電池表面的平均溫度。在相同功耗范圍內(nèi)，液冷模塊的最高表面溫度低于風(fēng)冷模塊。出口和進(jìn)口流體溫度之間的最大溫差在低質(zhì)量流量區(qū)域觀察到?？諝饫鋮s使電池表面的平均溫度從337 K降低到321 K。水冷卻使電池表面的平均溫度從337 K降低到314 K。風(fēng)冷降溫效果為4.75%，水冷降溫效果為6.82%。所提出的納米冷卻劑(Al2O3 + MEG + H2O)在1 m/s流速下，將電池表面的平均溫度從337 K降低到304 K，即溫度降低了9.79%。納米流體的降溫效果優(yōu)于空冷和水+乙二醇冷卻，分別比空冷和水+乙二醇冷卻分別提高5.04%和2.97%
Baviskar, S., Chatterjee, D., Jawale, K.C., and Rammohan, A., “Battery Thermal Management of Lithium Prismatic Cell Battery by Using Different Coolants,” SAE Technical Paper 2023-01-5059, 2023, doi:10.4271/2023-01-5059.
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