賴艷紅,羅立晟,陳鏡如等.刀片電池直冷冷卻熱管理系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[J].制冷技術(shù),2023,43(02):72-77.

摘 要

針對比亞迪漢 EV 車型純電動汽車的刀片電池設(shè)計了一種直冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，計算了刀片電池?zé)嶝?fù)荷參數(shù)，以制定熱管理系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，并通過數(shù)值仿真驗證其可行性。對多腔結(jié)構(gòu)和蛇形結(jié)構(gòu)的直冷板進(jìn)行對比分析，進(jìn)一步總結(jié)提出優(yōu)化建議。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的直冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以將電池包的最高溫度控制在 20~40 ℃以內(nèi)，且各單體電池溫差小于 5 ℃，滿足散熱目標(biāo)。通過對比不同結(jié)構(gòu)的直冷板的最高溫度變化情況，得到蛇形結(jié)構(gòu)直冷板的散熱效果優(yōu)于多腔結(jié)構(gòu)。

0 引言

近年來，隨著能源和環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻，人們對于環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排工作的關(guān)注度逐漸提高。在交通領(lǐng)域，新能源電動汽車完全通過電力來進(jìn)行驅(qū)動，在行駛過程中可以真正地做到零污染、零排放，已成為政府工作關(guān)注的焦點和汽車企業(yè)研究開發(fā)的重點[1-3]。鋰離子電池不僅作為電動汽車的動力之源，還為其他輔助設(shè)備提供能量，空調(diào)等負(fù)荷的改變會影響到電池續(xù)駛里程，因此鋰電池工作性能對于整車的工作狀況起到?jīng)Q定性的作用[4-7]。一般鋰離子電池溫度控制在20~40 ℃以保證其能穩(wěn)定運(yùn)行，溫度太高會使電池在工作中發(fā)生自燃，引發(fā)安全事故，溫度過低會使電池的續(xù)航能力大幅降低，影響電池的使用。因此，動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化對于提高動力電池系統(tǒng)的性能和效率，保障電動汽車的安全性等都有非常重要的現(xiàn)實意義。

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻方法包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（Phase Change Material，PCM）冷卻、熱管冷卻和直冷冷卻等[8]。其中直冷系統(tǒng)與其他的冷卻系統(tǒng)相比具有較為明顯的優(yōu)點，它的散熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，且不存在漏液風(fēng)險。整體來看，直冷系統(tǒng)在未來有很大的發(fā)展前景。直冷冷卻利用了 PCM 相變制冷的工作原理，與 PCM冷卻不同的是，PCM 冷卻是被動式制冷，其主要利用的是 PCM 的相變潛熱；而直冷冷卻是主動式制冷，其主要利用的是制冷劑的相變潛熱。直冷系統(tǒng)包含壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器以及節(jié)流裝置等組成部件，冷板即為直冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器，一般冷板放置在電池模組的底部，制冷劑在流經(jīng)直冷板過程中相變吸熱，將電池所產(chǎn)生的熱量帶離系統(tǒng)。

一般而言，直冷系統(tǒng)的散熱效率是液冷系統(tǒng)的3~4 倍[9]，但目前直冷系統(tǒng)還處于研發(fā)階段，并未形成廣泛的應(yīng)用。目前僅有寶馬、奔馳等企業(yè)采用直冷式的熱管理系統(tǒng)對動力電池進(jìn)行散熱。國內(nèi)如寧德時代和復(fù)旦大學(xué)等也已經(jīng)完成了對直冷系統(tǒng)的技術(shù)儲備。聶磊等[10]設(shè)計了一種蜂窩型單面吹脹式電池冷板，充分利用流道內(nèi)制冷劑的高沸騰傳熱潛熱對動力電池進(jìn)行散熱，最大發(fā)熱量為 6 kW 時，系統(tǒng)能在 150 s 內(nèi)響應(yīng)，可用于電動汽車動力電池的快充領(lǐng)域。CHEN 等[11]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對矩形通道冷板（Rectangular-Channel Cold Plate，RCP）和蛇形通道冷板（Serpentine-Channel Cold Plate，SCP）優(yōu)化得到 TCP-RCP 和 TCP-SCP，指出拓?fù)鋬?yōu)化能減小流動阻力，提高傳熱系數(shù)，電池最高溫度分別比 RCP 和 SCP 降低了 0.27%和 1.08%，溫差分別降低了 19.50%和 41.88%。JIANG 等[12]用 V 型肋對冷板通道進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn) V 型肋能破壞側(cè)壁邊界層，并形成二次流，使主流液體直接與壁面換熱，提高冷板性能。直冷系統(tǒng)同樣可以用于車艙制冷，如孫港國等[13]設(shè)計了一種同時用于電池?zé)峁芾砗蛙嚺撝评涞木C合制冷系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)整壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥開度使電池?zé)峁芾砗蛙嚺撝评湫Ч幱谳^為理想的狀態(tài)。苑盟[14]也針對直冷散熱系統(tǒng)，通過實驗研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電池組散熱結(jié)構(gòu)等因素對系統(tǒng)性能的影響?？傮w而言，直冷散熱系統(tǒng)相關(guān)研究較少，但在近年得到了很多關(guān)注，值得更深入的研究[15]。

本文主要是針對比亞迪漢車型純電動汽車的刀片電池設(shè)計了一種直冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，對制冷系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)行設(shè)計計算和選型，并通過數(shù)值仿真比較兩種不同流道結(jié)構(gòu)直冷板的散熱效果，進(jìn)一步提出優(yōu)化建議。

1 刀片電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計 

1.1 刀片電池的熱負(fù)荷計算

電池放電過程中產(chǎn)生的熱量 Q0 有兩部分：一部分被電池電解液吸收，記為 Qx，另一部分為通過熱傳導(dǎo)、對流換熱以及熱輻射等形式散失到環(huán)境的熱量，記為 Qs：

1.1.1 電池產(chǎn)熱速率計算

由于在實際應(yīng)用中，要準(zhǔn)確得到電池產(chǎn)熱速率（q）比較困難，目前在進(jìn)行鋰離子動力電池產(chǎn)熱速率計算時，國內(nèi)外普遍采用的是 BERNARDI[16]提出的計算模型，其產(chǎn)熱速率模型估算公式：

1.1.2 放電電流計算

電池放電電流：

電機(jī)功率 Pe根據(jù)功率平衡方程式確定：

本次設(shè)計中只考慮電動汽車在水平路面勻速行駛的工況，則道路坡度 i=0，汽車瞬時加速度 du/dt為 0。選擇比亞迪漢電動汽車作為整車計算對象，其部分參數(shù)見表1。計算得電機(jī)功率Pe為8.71 kW，放電電流 I 為 17.89 A。

根據(jù)已知條件，由式(4)計算得，電池產(chǎn)熱速率q=16 502.14 W/m3，由式(1)~式(3)計算可得，電池單體放電產(chǎn)熱 Q0 為 69 293.15 J，電池單體散失到環(huán)境中的熱量 Qs 為 25 293.15 J，電池的產(chǎn)熱負(fù)荷 Qc 為1 924.8 W。

1.2 刀片電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計

目前動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)普遍采用以空調(diào)系統(tǒng)為主體的耦合方式，在汽車空調(diào)蒸發(fā)器支路兩端并聯(lián)一個低壓蒸發(fā)器，如圖 1 所示，通過對空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對駕駛艙和動力電池的熱管理?？紤]整車要求的工況，制冷系統(tǒng)總的熱負(fù)荷為 4 924.8 W。

2 刀片電池包及直冷板數(shù)據(jù)模型建立

針對電動汽車刀片電池的電池包，直冷板設(shè)置在電池包的底部，電池與直冷板之間設(shè)置導(dǎo)熱硅膠片，以降低電池與直冷板之間的接觸熱阻。刀片電池工作過程中產(chǎn)生的熱量以熱傳導(dǎo)的方式，通過導(dǎo)熱硅膠片傳遞到底部的直冷板，再熱量通過對流傳熱的方式傳遞到直冷板內(nèi)部的制冷劑，制冷劑在流道內(nèi)發(fā)生相變，利用相變潛熱實現(xiàn)對電池包的降溫。

2.1 模型結(jié)構(gòu)建立

選用鋁作為直冷板的材料，兩種結(jié)構(gòu)的直冷板結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，設(shè)定流道寬度為 10 mm，內(nèi)部流道高度為 4 mm，流程數(shù)為 8，流道間距為 18 mm，電池直冷板長×寬×高為 960 mm×162 mm×6 mm。圖 2所示為兩種直冷板的結(jié)構(gòu)，流道內(nèi)為制冷劑。

模型選取 10 個電池單體建立帶有直冷板的三維模型，電池單體尺寸為960 mm×90 mm×13.5 mm，電池單體間隙為3 mm。對電池單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，忽略電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的劃分，假設(shè)電池內(nèi)部的材料參數(shù)和產(chǎn)熱率都是均勻的，將電池單體處理為簡單的長方體模型。電池及直冷板簡化后的三維幾何模型如圖 3 所示。將幾何模型導(dǎo)入 Fluent Meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，多腔結(jié)構(gòu)模型共生成 725 106 個單元，蛇形結(jié)構(gòu)模型共生成 676 822 個單元。

基于上述幾何模型及網(wǎng)格劃分，為了簡化后續(xù)計算做出如下假設(shè)：1）所有單體刀片電池的產(chǎn)熱均勻，可視為均勻體熱源；2）電池、導(dǎo)熱硅膠片、直冷板等部件材料的物性參數(shù)不隨溫度的變化而變化；3）忽略刀片電池及直冷板與外界之間的對流換熱以及輻射換熱；4）忽略刀片電池、導(dǎo)熱硅膠片以及直冷板表面間的接觸熱阻；5）制冷劑是不可壓縮的牛頓流體，且是連續(xù)介質(zhì)。在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，對模型的仿真條件進(jìn)行設(shè)定。

2.2 計算模型設(shè)置

仿真計算開啟能量方程、RNG K-?湍流模型和Mixture 多相流模型，多相流模型中氣液相間曳力采用 schiller-naumann 模型，相間滑移采用 mannineret-al 模型，表面張力為 0.01 N/m，相間傳質(zhì)采用evaporation-condensation 模型。

采用 SIMPLE 算法，求解計算域的連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等統(tǒng)一使用一階迎風(fēng)迭代算法。

2.3 材料物性參數(shù)設(shè)置

固體材料屬性如表 2 所示，x 代表 x 反向，yz代表 yz 方向。利用 REFPROP 軟件對液態(tài)及氣態(tài)制冷劑 R134a 的物性參數(shù)進(jìn)行了查詢，如表 3 所示。

2.4 邊界條件設(shè)置

由前文計算得電池產(chǎn)熱速率為 16 502.14 W/m3，將電池的模型設(shè)定為體積熱源，體生熱率為16 502.14 W/m3。

電池、導(dǎo)熱硅膠片及直冷板外壁面均采用絕熱邊界，直冷板與制冷劑流道接觸面為流固耦合接觸面，刀片電池與導(dǎo)熱硅膠片以及導(dǎo)熱硅膠片與直冷板的接觸面為固固耦合接觸面。邊界條件具體參數(shù)：制冷劑入口質(zhì)量流量設(shè)置為液相 0.001 kg/s、氣相0.002 kg/s，制冷劑入口溫度 10 ℃，出口為 Outflow，電池生熱率為 16 502.14 W/m3。

3 刀片電池包及直冷板溫度場仿真

直冷板的設(shè)計主要有兩個目標(biāo)：控制電池單體的工作溫度和控制不同電池單體之間的工作溫度差[17]，本節(jié)采用電池最高溫度及電池單體之間的溫度均勻性作為評價直冷板性能的指標(biāo)。鋰電池工作溫度要求在 20~40 ℃，電池內(nèi)部溫差控制在 5 ℃以內(nèi)[19-20]，電池最高溫度越低，電池單體之間最高溫度差越小，說明直冷板的散熱效果越好。下面將通過仿真結(jié)果對兩種不同流道結(jié)構(gòu)的直冷板的性能進(jìn)行對比分析。

3.1 電池包及直冷板溫度場仿真結(jié)果及分析

在電池包初始溫度為 40 ℃，制冷劑入口質(zhì)量流量為 0.001 2 kg/s，蒸發(fā)溫度為 10 ℃的情況下，兩種冷板結(jié)構(gòu)的電池包的溫度場分布如圖 4 所示。

由圖 4 可知，多腔機(jī)構(gòu)和蛇形結(jié)構(gòu)的兩種冷板都可以將電池的溫度控制在 20~40 ℃，可以實現(xiàn)刀片電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的制冷目標(biāo)。兩種結(jié)構(gòu)的冷板均使電池在垂直方向上的溫度分布表現(xiàn)出由電池頂部向電池底部逐漸降低的現(xiàn)象。這是由于直冷板置于電池包的底部，制冷劑流經(jīng)直冷板時發(fā)生相變吸熱使與其接觸的電池底部的溫度迅速下降，接著通過其內(nèi)部溫差導(dǎo)熱對電池頂部進(jìn)行降溫，從而導(dǎo)致溫度由頂部到底部逐漸降低。在平行于 z 方向上，使用兩種結(jié)構(gòu)冷板的電池包溫度均勻性較好，從溫度場分布來看，兩種結(jié)構(gòu)的散熱效果差別并不明顯。

為進(jìn)一步對兩種直冷板結(jié)構(gòu)的散熱效果進(jìn)行分析，繪制兩種冷板結(jié)構(gòu)下電池包的最高溫度變化曲線，如圖 5 所示。由圖 5 可知，兩種直冷板結(jié)構(gòu)下電池包的最高溫度變化均呈現(xiàn)先短暫升高再逐漸降低的趨勢，多腔直冷板電池包溫度從 40 ℃升溫到 40.5 ℃開始下降，1 800 s 到 35.9 ℃。相比之下，蛇形結(jié)構(gòu)的溫降響應(yīng)性更快，溫降幅度更大，溫度從 40 ℃升溫到 40.4 ℃開始下降，1 800 s 到35.3 ℃。因此蛇形結(jié)構(gòu)直冷板具有更好的散熱效果。

圖 6 所示為兩種冷板結(jié)構(gòu)下各單體電池的中心溫度。圖 7 為兩種冷板結(jié)構(gòu)下中間位置電池沿 z 方向的溫度。由圖 6 和圖 7 可知，兩種冷板結(jié)構(gòu)下各單體電池的中心溫度之差控制在 5 ℃以內(nèi)，同一塊電池沿 z 方向上的溫度差也控制在 5 ℃以內(nèi)，其溫度均勻性相對較好。

綜上所述，本文所設(shè)計的兩種結(jié)構(gòu)的直冷板均滿足動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的制冷目標(biāo)，兩者相比較，蛇形結(jié)構(gòu)流道的直冷板散熱效果更好，因此最終系統(tǒng)選用蛇形結(jié)構(gòu)的直冷板。

3.2 動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化建議

通過前文的仿真分析可以看出，對于動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的直冷系統(tǒng)而言，相較于傳統(tǒng)的多腔結(jié)構(gòu)流道的直冷板，蛇形結(jié)構(gòu)流道的直冷板的散熱效果更好一些，因此可以通過改善直冷板結(jié)構(gòu)對動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。此外，通過文獻(xiàn)調(diào)研總結(jié)得到以下優(yōu)化建議：

1）通過調(diào)整電池包內(nèi)電池單體的排布方式來實現(xiàn)系統(tǒng)散熱效果的優(yōu)化，如增大各個電池單體之間的距離來提高系統(tǒng)的降溫效果，然而這種方式也會存在使電池包的總體積增大、能量密度降低的問題，優(yōu)化程度有限[20]； 

2）通過調(diào)整直冷板的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)系統(tǒng)熱管理效果的優(yōu)化，研究表明[22]，直冷板的冷卻流道數(shù)、流程數(shù)、流道寬度、流道間距等對直冷板的散熱效果和壓力損失都有一定的影響。通過改善直冷板以上結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)對動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有效優(yōu)化；

3）通過設(shè)置導(dǎo)熱片優(yōu)化電池傳熱來實現(xiàn)系統(tǒng)熱管理效果的優(yōu)化，無論以何種方案布置，增設(shè)導(dǎo)熱片均有助于電池傳熱的強(qiáng)化[20]，通過調(diào)整導(dǎo)熱片的布置方式和厚度可以使熱管理系統(tǒng)的散熱效果和溫均性得到進(jìn)一步改善。

4 結(jié)論 

本文根據(jù)刀片電池?zé)嶝?fù)荷參數(shù)計算，制定了熱管理系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)，使用 Ansys Fluent 軟件對刀片電池包和直冷板部分進(jìn)行仿真模擬，研究了兩種流道結(jié)構(gòu)直冷板的散熱效果和溫度均勻性，分析了直冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化因素，得出如下結(jié)論：

1）在所給電池包和工況條件下，多腔結(jié)構(gòu)和蛇形結(jié)構(gòu)的直冷板均可以將電池包的溫度控制在20~40 ℃以內(nèi)，且各單體電池溫差小于 5 ℃，滿足熱管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)； 

2）通過對比不同結(jié)構(gòu)的直冷板的最高溫度變化情況，可以看出蛇形結(jié)構(gòu)直冷板的散熱效果優(yōu)于多腔結(jié)構(gòu)，最終選取蛇形結(jié)構(gòu)直冷板作為動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的蒸發(fā)器； 

3）結(jié)合仿真結(jié)果及文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)得到動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化建議，通過調(diào)整直冷板結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)參數(shù)、調(diào)整電池單體排布方式、設(shè)置導(dǎo)熱片等方式均可實現(xiàn)動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化。