浸没式电池热管理研究 | 浸没冷却流道设计流速优化
电池的性能、寿命、安全都和温度息息相关，高温及不均 匀的温度分布将大大降低电池循环使用寿命和充放电效率， 如果温度持续升高达到电池热失控的临界温度将造成电池起 火燃烧甚至发生爆炸。另一方面，锂离子电池在低温环境下内 阻、生热量和能量消耗都会增大，因此控制电池工作在最佳温 度范围内，减小电池间最大温差，保证单体电池间温度均匀性 就显得非常重要。
近年来，随着电池热管理系统要求的不断提高，液冷系统 在电池热管理的运用越来越多[1-2]，它们主要利用冷板、水套、 散热翅片等液体非直接接触电池的方式来管理电池温度，但 非直接接触的方式降低了液体散热 / 加热效率。文献[3]和文 献[4]分别研究了基于液体直接接触电池的热管理系统散热和 加热结构，取得了不错的效果，但液体直接接触式散热加热一 体化设计的研究相对较少。本文提出一种集成散热和加热功 能的液体直接接触式电池热管理系统方案，对三种典型“U” 型流道结构的加热、散热效果进行对比分析，选择最优方案， 最后分析了最优方案下流速与系统散热、加热效果间的关系， 确定了系统最佳流速。
1 热管理系统结构及原理
本文研究的液体直接接触式电池热管理系统包括电池 组、电池箱体、散热器、电控两位三通阀、油泵、过滤器及通过 式 PTC 加热器等，如图 1 所示。
液体直接接触式电池热管理系统中，电池箱体内充满液 体，电池组完全浸泡在液体中，这就要求液体必须具有良好的 绝缘性。硅油具有比热容大、导热性好、粘度系数低、高燃点、良好绝缘性、低温流动性好等优点。综合分析，选择硅油为热管理 系统循环介质，其密度为 960 kg/m3 ，比热容为 1510 J/(kg·K)， 导热系数为 0.157 W/(m·K)，运动粘度为 0.003 84 m2 /s，倾点 为－60 ℃。
散热时控制器控制电控两位三通阀，将散热器接入回路， 关闭加热回路，实现系统散热功能；加热时控制器控制电控两 位三通阀将通过式 PTC 加热器接入回路，关闭散热回路，实现 系统加热功能。
2 单体电池热模型
本文以国内某公司生产的方形三元锂电池作为热管理对 象，标称容量为 37.0 Ah，标称电压为 3.65 V，最佳工作温度范 围为 15~40 ℃。
电池生热率 q 是热传导微分方程的非齐次项，也是求解 微分方程的关键和难点[5]。根据 D.Bernardi 提出的理论可以将 电池生热率表示为：
由式(3)可知电池的生热率是内阻的函数，本文基于 HPPC (hybrid pulse power characteristic)脉冲测内阻的思想[7]，通过试 验的方法识别特定 SOC 值下电池的内阻，如图 2 所示。
根据式(4)计算得到电池放电内阻：
式中：DU 为施加脉冲载荷过程中电压的变化量；DI 为电流的 变化量。
对电池放电内阻进行多项式拟合，拟合阶次为 5 阶，拟合 后的计算式为：
根据热传导微分方程可知，为了模拟电池传热过程，需要 确定电池比热容、导热系数以及密度这三个热物性参数。单体 电池的比热容计算公式为：
单体电池的导热系数可以通过等效串并联的方式得到， 假设电池集流板法向方向为 x 方向，另两个方向为 y、z 方向， 则电池导热系数计算公式为：
3 热管理系统流道结构设计
12 个单体电池串联后组成一个电池模组进行分析。将 电池极柱及连接铜排的生热量加到电池内核中，电池单体简 化为一长方体。电池组与箱体四周距离为 18 mm，距箱体底部 和顶部距离分别为 6 和 17 mm，电池单体间的距离为 3 mm。为了加快计算速度仅对箱体内部的硅油和电池进行建模，整 个模型的尺寸为：351 mm×201 mm×114 mm。流道采用单进 单出的“U”型结构，直径为 10 mm。设计了 3 种形式流道结 构，流道结构参数如表 2 所示。
将 3 种不同流道形式的电池热管理系统物理模型导入 ICEM CFD 中进行网格划分，电池组划分为结构化网格，硅油 划分为结构和非结构的混合网格，并进行局部加密，对网格模 型中电池的固体区域和硅油的流体区域进行共节点设置，完 成系统流固耦合模型的建立，如图 3 所示。
本文使用的三元材料锂离子电池的最佳工作温度范围是 15~40 ℃，但汽车实际使用过程中的最低环境温度可达－30 ℃。另一方面由于电动汽车需要经常行驶在急加速、爬坡等大 功率输出工况，这些工况下电池充放电倍率大，产生的热量 多，温升速率快，综合电池的低温使用环境以及高温散热要求 对 3 种流道结构下的电池热管理系统进行 3 C 倍率放电散热 及－30 ℃低温加热仿真分析。将系统流固耦合模型导入 Fluent 中，设置模型的初始条件、边界条件和热源等。散热仿真分 析中环境温度为 25 ℃，硅油采用 1 m/s 的速度作为入口边界 条件，温度为 25 ℃，出口边界条件设置为压力出口，使用 UDF 载入 3 C 倍率放电时电池的生热量。加热效果仿真分析中加 热目标温度设定为 10 ℃，电池和硅油初始温度均为－30 ℃， 入口处硅油的加热功率设置为 500 W，流速为 0.5 m/s。采用标 准 k-e 模型[3]模拟硅油的湍流流动，仿真结果如图 4 所示。
结构Ⅰ在电池 3 C 倍率放电时的最高温度出现在电池中 心处，最高温度为 38.85 ℃，最大温差为 3 ℃。－30 ℃加热后 箱体内油液温度分布呈上高下低的形式，油液温差达到了 40 ℃，电池温差达到了 25 ℃。结构Ⅱ在电池 3 C 倍率放电时最 高温度出现在电池中心偏上处，最高温度为 41.85 ℃，最大温 差为 6 ℃。低温加热后箱体内油液的温差为 6 ℃，电池温差为 3 ℃。结构Ⅲ在电池 3 C 倍率放电时的最高温度为 39.8 ℃，出 现在电池内核中心偏上处，最大温差为 3.5 ℃。低温加热结束 后箱体内油液温差为 12 ℃，电池温差为 6 ℃。
其他工况下 3 种结构的加热和散热效果如表 3 和表 4 所示。
综合分析 3 种结构在不同工况下的散热和加热效果可 知：结构Ⅰ散热效果好，但加热效果差。结构Ⅱ加热效果好，但 散热效果差。平行式“U”型结构(结构Ⅰ和结构Ⅱ)只能保证 系统加热或者散热一个方面的效果。结构Ⅲ由于采用高低交 错式的流道结构，综合了结构Ⅰ和结构Ⅱ的优点，在加热和散 热两个方面取得了较好的平衡，相比于结构Ⅰ其低温加热性 能提高了 3 倍以上，相比于结构Ⅱ其 3 C 倍率放电散热时电 池温度一致性提高了 1 倍。因此选择结构Ⅲ为最终结构方案。由于低温加热仿真的流速较小仅为 0.5 m/s，导致结构Ⅲ在低 温加热时电池的温差仍然较大，最大温差达到了 6 ℃，因此还 需对系统流速进行优化，找出系统最佳散热和加热流速。
4 入口流速优化分析
入口流速范围取为 0.2~1.2 m/s，将结构Ⅲ的流固耦合模 型导入 Fluent 中，对热管理系统的散热效果进行稳态分析，仿 真结果如图 5 所示。
其中 1 C、2 C 放电倍率下电池的生热较小，硅油流速对电 池最高温度和温度一致性的影响不大。3 C 放电倍率下电池生 热较大，系统入口流速的大小直接影响电池的散热效果，当入 口速度为 1 m/s 时电池组的最高温度和最大温差均趋于平缓。综上，为了将 3 C 及以下倍率放电的电池温度控制在电池最 佳工作温度范围(15~40 ℃)内并保证电池温差小于 5 ℃，系统 入口速度取为 1 m/s。在小电流放电时可以通过控制器调节油 泵的流量，达到分级散热的效果。
入口流速范围取为 0.25 ~1.25 m/s，加热功率为 500 W，加 热目标温度为 10 ℃，仿真计算各流速下电池在初始温度分别 为 0、－10、－20、－30 ℃时的加热效果。
图 6 表明：不同入口流速、不同初始温度加热后箱体内油液最大温差和电池最大温差变化趋势基本一致。当入口流速 小于 0.5 m/s 时油液温差和电池温差主要受加热时长影响，加热初始温度越高，加热完成时间越短，油液温差和电池表面温 差越大；当入口流速大于 0.5 m/s 时，油液温差和电池温差主 要受入口流速影响，随着入口流速的增大，箱体内油液的流动 性增强，油液温差和电池温差逐渐减小；当油液入口流速大于 1 m/s 时，油液温差和电池温差都趋于稳定，加热后油液温差 和电池温差基本稳定在 6 和 3 ℃左右。综上，加热时可取入口 流速为 1 m/s。
5 结论
本文对液体直接接触式电池热管理系统流道结构进行了 设计和研究，得到如下结论：
(1)液体直接接触式电池热管理系统的温控效果受流道结 构影响非常大，平行式“U”型流道结构不能同时拥有良好的 散热和加热效果，高低交错式“U”型流道结构综合了平行式 “U”型流道结构的优势，在加热和散热效果上取得了较好的平衡。
(2)1 C、2 C 倍率放电时流速对系统散热效果影响不大，3 C 倍率放电时电池最高温度和最大温差受流速影响较大，在一 定范围内，提高系统循环流速能增强散热效果，但当流速超过 1 m/s 时，继续增大流速对散热性能的提高几乎无影响。
(3)当系统流速小于 0.5 m/s 时，系统加热效果主要受加热 时间的影响，系统初始温度越低，加热时间越长，油液和电池 温度一致性越好。当系统流速大于 0.5 m/s 时，系统加热效果 主要受系统流速影响，流速越大，油液和电池温度一致性越 好，当系统流速大于 1 m/s 时，系统加热效果趋于稳定。
