对称蛇形流道锂离子电池冷却性能

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0095

对称蛇形流道锂离子电池冷却性能

孔为^,, 金劲涛, 陆西坡, 孙洋

江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江 212003

Study on cooling performance of lithium ion batteries with symmetrical serpentine channel

KONG Wei^,, JIN Jingtao, LU Xipo, SUN Yang

Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China

通讯作者: 孔为（1983—），男，博士，副教授，从事电池热管理研究，E-mail：wkongsofc@126.com。

收稿日期: 2022-02-22 修回日期: 2022-03-27

基金资助:

国家自然科学基金项目. 21701083

Received: 2022-02-22 Revised: 2022-03-27

作者简介 About authors

孔为（1983—），男，博士，副教授，从事电池热管理研究，E-mail：wkongsofc@126.com。 E-mail：wkongsofc@126.com。

摘要

为了解决传统蛇形流道冷却剂流动路径长、压差大、能耗高的问题，提出了对称蛇形流道设计，并采用有限元软件COMSOL Multiphysics建立其模型。与传统蛇形流道相比，对称蛇形流道的压降降低了42.8%，其原因是通过子流道的设计，降低了子流道中的流量，进而降低了冷却剂的沿程损失。同时，对称蛇形流道的温度均匀性也优于传统蛇形流道。此外，虽然冷却剂沿着流动方向温度越来越高，但是电池在冷却剂流动方向上温度分布却比较均匀，温差较小。由于电池厚度方向过小的热导率，导致电池最大温差出现在该方向。当电池厚度方向热导率增至10.925 W/(m·K)时，电池厚度方向温差远小于冷却剂流动方向温差。电池最大温差也从2.75 ℃降至1.24 ℃，下降了54.9%，因此增大电池厚度方向的热导率对电池温度均匀性的提高具有显著效果。本文进一步探讨了冷却剂流量和流道宽度的影响。结果表明：冷却剂流量的增大虽然能够有效降低电池最大温度和温差，但是急剧提升了系统能耗。此外，增大流道宽度对减小流道压降具有显著效果，但对电池温度的影响可忽略。本文提出的对称蛇形流道为锂离子电池热管理系统发展提供了新思路，具有重要的借鉴意义。

关键词： 锂离子电池热管理 ; 液冷 ; 结构设计 ; 蛇形流道

Abstract

A symmetrical serpentine channel design is proposed in this paper to solve problems related to long flow path, large pressure difference, and high energy consumption of coolant in the traditional serpentine channel design. The COMSOL Multiphysics finite element software was used to establish the model for the proposed designed. The pressure drop of the proposed design is reduced by 42.8% compared to the traditional serpentine channel because the flow rate in the subchannel and linear loss along the cooling channel are reduced. In addition, the temperature uniformity of the symmetrical serpentine flow channel is superior to that of the traditional serpentine flow channel. Despite the fact that the coolant temperature increases along the flow direction, the temperature distribution of the battery in the coolant flow direction is relatively uniform, and the temperature difference is small. The maximum temperature difference of the battery occurs in the direction of the thickness of the battery because the thermal conductivity in this direction is too small. When the thermal conductivity in the direction of the battery thickness increases to 10.925 W/(m·K), the temperature difference in the battery thickness direction is much smaller than that in the coolant flow direction. With the proposed design, the maximum temperature difference of the battery is reduced from 2.75 ℃ to 1.24 ℃ (a 54.9% reduction). Thus, improving the thermal conductivity in the battery thickness direction has a significant effect on improving the battery's temperature uniformity. In addition, the influences of coolant flow rate and channel width are discussed. Results demonstrate that although the increased coolant flow rate can reduce the maximum temperature and temperature difference of the battery, the system's energy consumption increases sharply. Expanding the channel width reduces the channel pressure drop significantly, and the effect on battery temperature is insignificant.

Keywords： lithium-ion battery thermal management ; liquid-cooling ; structure design ; serpentine channel

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本文引用格式

孔为, 金劲涛, 陆西坡, 孙洋. 对称蛇形流道锂离子电池冷却性能[J]. 储能科学与技术, 2022, 11(7): 2258-2265

KONG Wei. Study on cooling performance of lithium ion batteries with symmetrical serpentine channel[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(7): 2258-2265

与其他电池例如铅酸、镍氢电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度和循环寿命，被广泛应用于电动汽车领域^[1-2]。但是，锂离子电池对温度比较敏感，最佳工作温度范围为20～35 ℃^[3]。如果工作温度过高，将导致电池循环寿命急剧缩短，甚至引起剧烈的副反应造成热失控，威胁人车安全^[4]。为了确保锂离子电池工作在合适的温度范围内，电动汽车普遍安装了电池热管理系统。近年来，电池热管理系统得到了企业界和学术界的广泛关注，并取得了快速的发展^[5-6]。

目前，电池热管理系统主要包括风冷^[7]、液冷^[8-9]和相变材料冷却^[10]。风冷最简单，成本最低，但是风冷对流热交换系数小，冷却效果差，不适合大倍率放电情况。相变材料冷却是利用相变材料相变潜热吸收锂离子电池释放的热量，温度均匀性较好，但长期稳定性还需提高，实际应用较少。与风冷相比，液冷对流热交换系数大，冷却效率高，并且比相变材料冷却稳定性好，在实际应用中得到了众多汽车制造商的青睐^[11-13]。

液冷冷却板流道主要分为直线流道和蛇形流道。直线流道优势是冷却剂流动路径短、压差小、能耗低，但是不同子流道间几乎没有热量交换，温度均匀性有待提高。蛇形流道由于不同子流道间的热量交换充分，温度均匀性好，但是冷却剂流动路径长、压差大、能耗高。针对直线流道，大量学者进行了多方面的研究。Huo等^[14]研究了子流道个数、流动方向、入口质量流量和环境温度对电池放电过程中温升和温度分布的影响。Qian等^[15]考虑了不同子流道流量的不均匀性，发现当子流道个数为奇数时，中间流道流量最大，并且子流道越多，冷却性能越好。但当子流道个数超过5个时，并没有明显优势。Chen等^[16]探讨了不同分配器(I型、U型、Z型)直线流道的性能，并对结构参数进行了优化，冷却性能得到了明显提高。为了同时实现降低最大温度和压降，在作者之前的文章中提出了扩散型直流道设计，为了进一步降低局部阻力，又提出了两进一出设计，压降降低了7.2%^[17]。

此外，关于蛇形流道的研究也很多。为了改善电池温度均匀性，李昕光等^[18]设计了单向流通和双向对流的蛇形冷板，研究结果表明，在不同流量下，双向对流设计最大温差均小于单向流通设计。杨世春等^[19]对传统蛇形流道进行了优化，增大了弯道处冷板与圆柱电池的接触角，发现与原设计相比，电池组最大温差和最大温度均有所下降。Deng等^[20]对比分析了蛇形流道冷却剂沿宽度方向流动和长度方向流动两种设计的差异。结果表明冷却剂沿长度方向流动，冷却效果更好。Su等^[21]设计了两进两出蛇形流道结构，并探讨了不同进出口位置设计的影响，发现进出口位置设计和流动方向对温度影响较大。Wang等^[22]采用多目标遗传算法对蛇形流道进行了参数优化，电池模组最高温度下降了2.65 ℃。

综上所述，如何降低最大温度和温差是目前蛇形流道研究关注的重点，然而却忽略了蛇形流道冷却剂流动路径长、压差大、能耗高的问题。为了解决该问题，本文提出了对称蛇形流道。与传统蛇形流道相比，对称蛇形流道中子流道冷却剂流量小，进而降低了流道压降，提升了电动汽车的续航里程。

1 模型及验证

1.1　模型结构

本文选取方形磷酸铁锂电池作为研究对象，方形磷酸铁锂电池的技术参数见表1。为了满足电动汽车续航里程及功率的需求，电动汽车需要配备大量锂离子电池。然而，考虑到对称性及减少计算时间，本文选取了一个重复单元作为研究对象，其包括一个冷板及冷板两侧的半块电池，如图1(a)、(c)所示。传统蛇形流道和对称蛇形流道尺寸详见图1(b)、(d)。对称蛇形流道中的竖直方向流道定义为子流道，水平方向流道称为主流道。

表1 锂离子电池技术参数^[17]

Table 1 Li-ion cell technical specifications^[17]

项目	技术参数
负极	石墨
正极	LiFePO₄
电解质	LiPF₆
隔膜	PP/PE/PP
额定容量	8.0 Ah
工作电压	3.2 V
电池长宽厚	118 mm，13 mm，63 mm

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图1

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图1 模型结构(单位：mm)

Fig. 1 Model structure(Unit：mm)

1.2　控制方程和边界条件

冷却剂流动状态取决于雷诺数的大小。根据入口速度(0.3 m/s)和水力直径(0.0015 m)，可得雷诺数为449，小于2300，冷却剂流动状态为层流。冷却剂的动量、质量、能量守恒方程可以表示为^[23]：

\frac{\partial v}{\partial t} + (v \cdot \nabla) v = - \frac{\nabla p}{ρ_{w}} + \frac{μ}{ρ_{w}} \nabla^{2} v + g

(1)

\frac{\partial ρ_{w}}{\partial t} + \nabla \cdot (ρ_{w} v) = 0

(2)

\frac{\partial}{\partial t} (ρ_{w} c_{p w} T_{w}) + \nabla \cdot (- k_{w} \nabla T_{w} + ρ_{w} c_{p w} T_{w} v) = 0

(3)

冷板和电池的能量守恒方程分别为^[24]：

\frac{\partial}{\partial t} (ρ_{c} c_{p c} T_{c}) + \nabla \cdot (- k_{c} \nabla T_{c}) = 0

(4)

\frac{\partial}{\partial t} (ρ_{b} c_{p b} T_{b}) + \nabla \cdot (- k_{b} \nabla T_{b}) = Q

(5)

式中，下标“w”“c”“ｂ”分别表示水、冷板和电池。μ、ρ、 g 、T、c_p 和k分别为黏度、密度、重力矢量、温度、比热容和热导率。 v 和p分别是速度和压力。Q是电池的热源。锂离子电池在放电过程中产生的热量与放电电流大小及放电时间密切相关，其可以表示为：

Q = A t^{5} + B t^{4} + C t^{3} + D t^{2} + E t + F

(6)

式中，t代表时间，s；A、B、C、D、E、F为各项系数。根据文献测量数据，1 C、2 C、3 C放电倍率时，锂离子电池热源与放电时间的关系为^[25]：

\begin{array}{l} Q_{1 C} = 2.165 \times 10^{- 13} t^{5} - 1.42 \times 10^{- 9} t^{4} + 3.386 \times 10^{- 6} t^{3} \\ - 0.0035 t^{2} + 1.258 t + 8291.282 \end{array}

(7)

Q_{2 C} = 2.774 \times 10^{- 11} t^{5} - 9.09 \times 10^{- 8} t^{4} + 1.085 \times 10^{- 4} t^{3} - 0.0555 t^{2} + 10.098 t + 31275.485

(8)

Q_{3 C} = 4.743 \times 10^{- 10} t^{5} - 1.037 \times 10^{- 6} t^{4} + 8.058 \times 10^{- 4} t^{3} - 0.2817 t^{2} + 34.243 t + 68946.1

(9)

为了求解上述控制方程，需要合理设置边界条件和初始条件。初始温度为30 ℃，流道入口质量流量为1 g/s，入口温度为30 ℃。出口表压设置为0 Pa，出口仅考虑热对流忽略热传导。流道侧面为无滑移边界。电池与冷板外表面设置为自然对流，自然对流系数为6 W/(K·m²)。模型所需其他参数见表2，冷板材质为铝，冷却剂为液态水。

表2 材料物性参数^[25]

Table 2 Property parameters of materials^[25]

材料	ρ/(kg/m³)	c_p /[J/(kg·K)]	k/[W/(m·K)]	μ/[kg/(m·s)
电池	2416	895	27.38/27.38/0.925(x/y/z)	—
冷板	2719	871	202.4	—
水	998.2	4182	0.6	0.001003

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1.3　网格独立性验证

为了验证模型网格独立性，建立了不同网格数量的模型，见表3。图2展示了网格数量对压降和最大温度的影响。从图2中可以看出，随着网格数量的增加，网格数量对压降和最大温度的影响越来越小。判断网格独立性的标准是由于网格数量变化，引起的计算误差小于3%^[26]。模型5与模型4的误差满足网格独立性的要求，故模型5作为后续模型网格划分的标准。为了验证模型的准确性，根据文献[25]报道的数据(表2)及上述控制方程，本文建立了单电芯模型，并与实验数据进行对比，如图3所示。很明显，模型计算结果与实验数据基本相符，证明了模型的准确性。

表3 不同网格数量模型

Table 3 Five models with different grid numbers

模型编号	1	2	3	4	5
网格数量	507391	537414	567437	597460	627483

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图2

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图2 网格无关性验证

Fig. 2 Grid independence verification

图3

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图3 锂电池表面平均温度仿真与实验结果对比^[25]

Fig. 3 Comparison of simulation and experimental results of surface average temperature of lithium battery^[25]

2 结果与讨论

2.1　压力分布

图4展示了两种设计流道中的压力分布。很显然，两种设计中压力变化趋势基本一致，压力均沿着冷却剂流动方向逐渐降低。但是流道出入口的压降却相差很大。蛇形流道出入口压降高达6218 Pa，而对称蛇形流道的压降仅为3568 Pa，比蛇形流道的压降降低了42.6%。因此对称蛇形流道能够显著减小电池热管理系统的能耗，提升电动汽车的续航里程。原因也很简单，由于沿程阻力引起的沿程损失是引起蛇形流道压降的主要原因，其与冷却剂的速度平方成正比。与传统蛇形流道相比，对称蛇形流道设计通过简单的结构改进，使得每个子流道(竖直流道)中的流量仅为传统蛇形流道一半，进而显著降低了冷却流道的压降。

图4

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图4 压力分布

Fig. 4 Pressure distribution

2.2　温度分布

图4表明与传统蛇形流道相比，对称蛇形流道在压降方面具有明显优势。下文将对两种设计的温度分布进行对比分析。图5展示了两种设计流道中截面的温度分布。由于冷却剂沿着流动方向不断吸收电池放电过程中产生的热量，因此冷却剂温度沿着流动方向越来越高。然而，电池在冷却剂流动方向上温度分布比较均匀，温差较小，如图6所示。虽然电池厚度只有13 mm远小于其宽度(63 mm)和长度(118 mm)，但是在电池厚度方向上电池温差最大。原因是电池热导率各向异性，厚度方向的热导率不足1 W/(m·K)，而其他两个方向的热导率接近30 W/(m·K)。如图7所示，当电池厚度方向热导率增至10.925 W/(m·K)时，对称蛇形流道电池厚度方向温差远小于冷却剂流动方向温差。电池最大温差也从2.75 ℃降至1.24 ℃，因此增大电池厚度方向的热导率对电池温度均匀性的提高具有显著效果。此外，两种设计的电池最大温度基本一致。蛇形流道和对称蛇形流道电池最高温度分别为33.40 ℃和33.35 ℃。对称蛇形流道最大温差为2.75 ℃略小于蛇形流道的2.81 ℃。根据以上的分析可以得出：在温度均匀性方面，对称蛇形流道略优于蛇形流道；在压降方面，对称蛇形流道具有较为明显的优势。

图5

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图5 流道中间截面的温度分布

Fig. 5 Temperature distribution in the middle section of the channel

图6

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图6 电池温度分布

Fig. 6 Temperature distributions of batteries with two flow channel structures

图7

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图7 电池温度分布[厚度方向热导率为10.925 W/(m·K)]

Fig. 7 The temperature distribution of the battery [Thermal conductivity in thickness direction is 10.925 W/(m·K)]

2.3　流量的影响

冷却剂流量是影响电池温度的关键因素之一。冷却剂流量越大，冷却效果越好，电池温度越低，同时，流道压降越大，能耗越大。因此合理选择冷却剂流量至关重要。图8展示了两种设计冷却剂流量对温度的影响。可以看出，随着冷却剂流量的增大，电池最大温度逐渐下降，但下降幅度在减小。当冷却剂流量从0.2 g/s增加到0.6 g/s，最大温度降低了2.21 ℃。然而，当冷却剂流量从0.6 g/s增加到1 g/s，最大温度只降低了0.51 ℃。此外，冷却剂流量的增大也有助于降低电池最大温差。对称蛇形流道，冷却剂流量从0.2 g/s增加到1 g/s，电池最大温差从4.04 ℃下降到2.75 ℃，下降了1.29 ℃。但是流道压降却从374.5 Pa提高到3568.9 Pa，增加了8.53倍，如图9所示。因此流道压降强烈依赖于冷却剂流量，在满足电池温度设计要求时，尽量减小冷却剂的流量有利于降低电池热管理系统的能耗。其次，如图9所示，还可以发现，随着冷却剂流量的增加，蛇形流道压降与对称蛇形流道压降的差距越来越大，即对称蛇形流道降压效果越来越显著。当冷却剂流量为0.2 g/s时，两种设计的压降差为461 Pa，仅有流量为1.0 g/s时压降差(2650 Pa)的17.4%。这是由于压降与冷却剂速度的平方成正比，对称蛇形流道子流道中的流量仅为蛇形流道的一半，因此流量越大对称蛇形流道压降优势越显著。

图8

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图8 流量对温度的影响

Fig. 8 Effect of flow rate on temperature

图9

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图9 流量对压降的影响

Fig. 9 Effect of flow rate on pressure drop

2.4　流道宽度的影响

如图10所示，对于两种设计，随着流道宽度的增大，流道压降逐渐减小，但减小幅度在降低。流道宽度从2 mm增大到3 mm，流道压降减小了3380 Pa。流道宽度从4 mm增大到5 mm，流道压降仅减小了671.7 Pa。因为流道入口流量一定，流道宽度越宽，流速越小，压降越小。仔细分析还可以看出，如果对称蛇形流道宽度设计不合理，其压降有可能大于传统蛇形流道压降，例如蛇形流道宽度为5 mm时，压降为2961.9 Pa，而对称蛇形流道宽度为2 mm时，压降高达6948.8 Pa。因此流道宽度的设计很关键。此外，流道宽度对电池最大温度和温差的影响较小，可忽略。当流道宽度从2 mm增加至5 mm，对称蛇形流道电池最大温度仅减小了0.1 °C，最大温差增大了0.09 °C，如图11所示。

图10

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图10 流道宽度对压降的影响

Fig. 10 Effect of channel width on pressure drop

图11

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图11 流道宽度对温度的影响

Fig. 11 Effect of channel width on temperature

3 结论

设计了对称蛇形流道，并建立其数学模型。对比分析了对称蛇形流道与传统蛇形流道的差异，讨论了冷却剂流量和流道宽度对对称蛇形流道性能的影响。通过对计算结果的分析得到如下结论：

（1）与传统蛇形流道相比，对称蛇形流道显著降低了冷却流道的压降。同时，温度均匀性也有所提升；

（2）电池在冷却剂流动方向温度分布比较均匀，温差较小，但是由于电池厚度方向热导率太小导致该方向电池温差最大。

（3）冷却剂流量的增大虽然能够有效降低电池最大温度和温差，但是却急剧提升了系统的能耗。

（4）流道宽度对流道压降影响显著，但对电池温度的影响较小，可忽略。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

AKHOUNDZADEH M H, PANCHAL S, SAMADANI E, et al. Investigation and simulation of electric train utilizing hydrogen fuel cell and lithium-ion battery[J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2021, 46: 101234.