摘要

高效的熱管理系統(tǒng) (TMS) 對(duì)于汽車鋰離子電池模塊 (BM) 的卓越性能至關(guān)重要。液冷 TMS 由流經(jīng)冷板的冷卻劑組成，與被動(dòng)或強(qiáng)制風(fēng)冷 TMS 相比，提供更高的熱傳遞速率，從而允許電池以激進(jìn)的速率和更高的環(huán)境溫度充電/放電，同時(shí)保持電池溫度在最佳范圍內(nèi)。在當(dāng)前的研究中，我們使用圓柱 21700 鋰離子電池的可變熱負(fù)荷的三維、時(shí)間精確 CFD 模擬，研究了各種冷板通道尺寸和配置對(duì)液冷 BM 整體熱性能的影響。具體來說，我們通過改變冷卻劑通道的尺寸和流動(dòng)路徑來考慮 8 種不同的冷板設(shè)計(jì)。對(duì)于所有冷板設(shè)計(jì)，我們?cè)u(píng)估平均和最高電池溫度，以及模塊放電速率為 1C 時(shí)的傳熱速率。此外，還計(jì)算了整個(gè)冷板的冷卻劑壓降，這有助于提供有關(guān) TMS 能效的信息。

簡(jiǎn)介

隨著電動(dòng)汽車 (EV) 的普及，其性能優(yōu)于其內(nèi)燃機(jī)同類產(chǎn)品，因此需要更高能量密度的鋰離子電池組，能夠維持高功率放電并能夠快速充電，同時(shí)達(dá)到高安全標(biāo)準(zhǔn)。因此，高效且最佳的熱管理系統(tǒng) (TMS) 對(duì)于防止電池過熱至關(guān)重要，這反過來又可能導(dǎo)致電池加速退化（容量衰減和阻抗上升）或熱失控等不安全事件。此外，設(shè)計(jì)良好的 TMS 對(duì)于更廣泛地采用 EV 是必要的，特別是在非常炎熱或非常寒冷的氣候條件下，同時(shí)在車輛運(yùn)行期間將電池溫度保持在最佳范圍內(nèi)。

在過去十年中，已經(jīng)提出了幾種 TMS 策略來降低電池模塊中的峰值電池溫度。這些方法包括對(duì)流空氣冷卻、液體冷卻、使用熱管的兩相蒸汽冷卻、相變材料 (PCM) 或這些方法的組合。由于其高導(dǎo)熱性，已知液體冷卻系統(tǒng)在消散 EV 電池模塊內(nèi)的電池產(chǎn)生的高熱量方面最為有效。因此，在這項(xiàng)工作中，我們將注意力集中在基于冷板的間接液體冷卻系統(tǒng)上。

冷板是具有高導(dǎo)熱性的薄金屬結(jié)構(gòu)，具有用于冷卻劑流動(dòng)的內(nèi)部通道的裝置。由電池產(chǎn)生的熱量通過固體金屬冷板間接地消散到冷卻劑。因此，設(shè)計(jì)合適的通道幾何形狀，以提高這種系統(tǒng)的冷卻效率，并降低整體功耗是很重要的。多年來，人們提出了各種冷板設(shè)計(jì)方案，如蛇形通道、多直微通道等。盡管這些研究大多采用不同的電池類型——棱柱形、袋形或圓柱形——但它們大多限于低功率密度和每個(gè)模塊的電池?cái)?shù)量較少。近年來,出現(xiàn)了一個(gè)巨大的汽車社區(qū)的興趣更高的功率密度圓柱形細(xì)胞(如21700)的形式由于其易于制造和部分由于其有效性在減少總重量和大小的電池模塊。然而，這種圓柱形電池的根本挑戰(zhàn)在于開發(fā)安全、高效、經(jīng)濟(jì)的冷板的需要。

因此，在這項(xiàng)工作中，我們努力使用可靠且穩(wěn)健的數(shù)值方法對(duì)冷板的不同設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，并展示它們?cè)谟筛吖β拭芏?21700 圓柱形鋰離子電池組成的電池模塊內(nèi)的熱和流體動(dòng)力學(xué)性能。此處特別強(qiáng)調(diào)數(shù)值求解器模擬鋰離子電池模塊實(shí)際運(yùn)行的能力，其中由于電池內(nèi)部電阻 (DCIR) 產(chǎn)生的不可逆焦耳熱隨充電狀態(tài)而變化 （SOC）。以 1C 的放電速率對(duì)電池模塊進(jìn)行分析，這意味著模塊中的所有 576 個(gè)電池在 1 小時(shí)內(nèi)耗盡其可用功率。為此，我們進(jìn)行了參數(shù)研究，通過對(duì)跨板的冷卻劑壓降、傳熱率、最高電池溫度和模塊中不同電池的溫度均勻性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來評(píng)估液體冷板的性能。該研究有助于為使用精確的三維時(shí)間精確數(shù)值模擬設(shè)計(jì)液體冷板提供優(yōu)化途徑。

模型描述

我們從一個(gè)基本殼體幾何結(jié)構(gòu)開始參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，該幾何結(jié)構(gòu)由一個(gè)鋁冷板和10個(gè)內(nèi)部直矩形冷卻液(乙二醇-水混合)通道組成，這些通道的橫截面積為Ac。為了保持冷卻液在所有通道上的均勻流動(dòng)，我們使用一個(gè)在板的一端有兩個(gè)入口的分配歧管和一個(gè)在另一端有兩個(gè)出口的集合歧管(圖1)?？偟膩碚f，冷板由兩個(gè)獨(dú)立的冷卻劑組成，每個(gè)入口/出口端口連接到5個(gè)通道。共有576個(gè)形狀因子為21700的圓柱形鋰離子電池直接粘附在冷板的頂部(圖2)。

圖1 帶有10個(gè)內(nèi)部冷卻液通道的基礎(chǔ)液體冷板的頂部截面示意圖

圖2 液冷電池模塊示意圖(576圓柱形21700鋰離子電池，直接附著在冷板的頂部)

本研究的目的是通過使用基本案例設(shè)計(jì)作為參考執(zhí)行兩組參數(shù) CFD 模擬來評(píng)估液體冷板的熱性能。具體來說，我們改變了以下設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)保持冷板的整體尺寸、通道總數(shù)以及歧管和入口/出口端口的尺寸(表1)：

a.冷卻液通道的液壓直徑(hd):我們考慮了5種不同的通道尺寸，從基礎(chǔ)尺寸開始，逐步減少通道的高度和寬度。本文研究的水力直徑范圍在0.45-4.56之間;

b.冷卻液通道的配置:我們考慮對(duì)基礎(chǔ)配置的3種不同變化，包括(i)單通道蛇形，(ii)雙通道蛇形，和(iii)雙三通道(2-3-3-2)蛇形。每一個(gè)這些配置提供了不同長(zhǎng)度的冷卻劑流動(dòng)路徑與冷板。

表1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的幾何細(xì)節(jié)研究

對(duì)于本研究中的所有數(shù)值模擬，我們使用通用有限體積 CFD 求解器 STAR-CCM+。它利用 MPI 并行化來進(jìn)行共享和分布式內(nèi)存計(jì)算，從而能夠使用大網(wǎng)格尺寸。數(shù)值方法基于并置的網(wǎng)格排列，其中所有流量變量都存儲(chǔ)在單元中心?？臻g和時(shí)間離散化分別使用二階迎風(fēng)格式和一階隱式方法執(zhí)行。動(dòng)量方程的對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)在使用簡(jiǎn)單型算法和 Rhie-Chow 插值法對(duì)面通量進(jìn)行離散化。液冷電池模塊不同材料區(qū)域之間的相互作用是通過使用共軛傳熱模型和基于雷諾平均納維-斯托克斯 (RANS) 的可實(shí)現(xiàn) k-ε湍流模型來實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)數(shù)值模擬的總物理時(shí)間為 3600 秒，使用范圍從 0.1 到 1 秒的可變計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。在整個(gè)模擬過程中，確保每個(gè)時(shí)間步的整體解收斂在 0.05% 以內(nèi)。為所有固體材料區(qū)域和環(huán)境空氣提供了 30 °C 的初始溫度。但是，初始和入口冷卻劑溫度均保持在 25 °C。使用恒定速度分布（“塞子”剖面）規(guī)定了 1.3 LPM 的入口冷卻劑流量（在具有兩個(gè)入口的設(shè)計(jì)情況下，每個(gè)入口為 0.65 LPM），并且冷卻劑中的平均剪切由無滑移邊界條件設(shè)置在冷卻劑壁上。冷卻劑出口由恒壓邊界條件表示。5 W/m2 K 的傳熱系數(shù)施加在環(huán)境空氣區(qū)域的所有外表面。估算電池準(zhǔn)確發(fā)熱的最大問題之一在于電池的 DCIR 在很大程度上取決于 SOC、溫度和充電/放電率。因此，為了對(duì)冷板進(jìn)行準(zhǔn)確的真實(shí)世界模擬，我們根據(jù)電池從 100% 的 SOC 變?yōu)?1C 放電速率的典型 DCIR 曲線的修改版本，包括了發(fā)熱的瞬態(tài)行為（圖 3）在 1 小時(shí)內(nèi)降至 0%，我們計(jì)劃在未來的工作中包括溫度對(duì)電池 DCIR 的影響。

圖3 21700型圓柱形鋰離子電池產(chǎn)生的焦耳熱隨時(shí)間的函數(shù)

為了生成由5個(gè)材料區(qū)域組成的液冷電池模塊的當(dāng)前幾何形狀的網(wǎng)格，我們使用 STAR-CCM+ 中的內(nèi)置生成器。特別是，我們?cè)谇蠼饪刂品匠痰牧黧w和固體區(qū)域中生成多面體網(wǎng)格。在所有流體區(qū)域，即冷卻劑和環(huán)境空氣中，邊界層通過6個(gè)點(diǎn)的精細(xì)網(wǎng)格完全解析（y+ = uy/v<1，其中u是摩擦速度；y+是壁法線距離）。這導(dǎo)致總網(wǎng)格大小約為1100萬個(gè)單元。

為了確保數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，我們根據(jù)網(wǎng)格收斂性研究選擇了網(wǎng)格尺寸。這些研究是使用一系列尺寸以逐漸提高的精確度（表2）和基于每個(gè)后續(xù)網(wǎng)格的冷卻劑傳熱系數(shù)計(jì)算網(wǎng)格收斂指數(shù)(GCI)[16]進(jìn)行的。最終將對(duì)應(yīng)于 GCI小于3%（中網(wǎng)格）的網(wǎng)格尺寸用于所有后續(xù)冷板設(shè)計(jì)迭代的數(shù)值模擬（圖4）。

表2 基礎(chǔ)液體冷板設(shè)計(jì)案例無關(guān)性網(wǎng)格數(shù)量

圖4 不同網(wǎng)格尺寸下冷卻劑平均換熱系數(shù)的變化

結(jié)果與討論

1.冷卻通道尺寸的影響

在本節(jié)中，我們使用上述后處理指標(biāo)分析了冷板冷卻劑通道的水力直徑對(duì)熱和流動(dòng)性能的影響。在所有設(shè)計(jì)迭代中，包括電池散熱在內(nèi)的邊界和體積條件在數(shù)值模擬中保持不變。

圖5 鋰離子電池在1C放電速率下完全放電后冷卻劑速度的等高線。結(jié)果繪制在不同通道尺寸的垂直中間橫截面平面上，(a)基本情況，(b)情況1，(c)情況2，(d)情況3，(e)情況4

圖5說明了5種不同冷板中垂直平面截面處冷卻劑速度大小的空間分布比較。正如預(yù)期的那樣，由于質(zhì)量守恒，冷卻劑速度隨著通道水力直徑的減小而增加。事實(shí)上，對(duì)于極端設(shè)計(jì)案例4，在最低通道尺寸hd=0.45 mm時(shí)，高冷卻劑速度甚至導(dǎo)致在收集歧管處形成強(qiáng)射流和再循環(huán)區(qū)?？偟膩碚f，對(duì)于所有計(jì)算的設(shè)計(jì)，10個(gè)通道的速度分布是相同的，表明入口歧管的流量平衡非常好。

圖6 整個(gè)冷板的總壓降作為內(nèi)部流動(dòng)通道的水力直徑的函數(shù)

整個(gè)電池模塊的壓降很大程度上取決于幾何參數(shù)，尤其是冷卻通道的水力直徑。圖6中報(bào)告了通道內(nèi)冷卻劑的總壓降。此處計(jì)算的值是入口和出口面之間的平均靜壓差。從圖中可以明顯看出，隨著通道尺寸的減小，壓降以指數(shù)為-3.7的冪律趨勢(shì)增加。盡管在所有考慮的情況下通道中的流速不同，但入口速度相同，因?yàn)橥ㄟ^兩個(gè)入口進(jìn)入冷板的組合質(zhì)量流量保持恒定在1.3 LPM。

圖7 對(duì)于基本情況和情況1至4，平均傳熱系數(shù)可作為通道水力直徑的函數(shù)

冷卻劑的HTC相對(duì)于hd的變化如圖7所示。從圖中可以明顯看出，傳熱系數(shù)與通道尺寸成反比。雖然與設(shè)計(jì)案例4對(duì)應(yīng)的HTC最高，但通過冷板超過100 PSI的壓降使其不適用于汽車應(yīng)用。盡管如此，結(jié)果還是很有啟發(fā)性的，因?yàn)樗峁┝舜_定HTC縮放行為所需的信息。

圖8 基本情況和情況1至4的最大電池溫度的時(shí)間變化

圖9 基本案例和案例1至案例4中作為通道水力直徑函數(shù)的點(diǎn)池溫度均勻性

圖8和圖9分別通過Tcell_max的時(shí)間演化和溫度均勻性 Tu的指標(biāo)展示了所有5種不同冷板之間的比較。總體而言，最高溫度在電池放電期間持續(xù)升高，但由于較低SOC下較高的DCIR，最終以較快的速率升高（見圖3）。正確捕捉最高溫度的這種增加至關(guān)重要，并且只能使用時(shí)間精確的模擬來完成，這可以確保每個(gè)時(shí)間步的收斂。從圖中的結(jié)果。從圖8和圖9可以看出，通道水力直徑對(duì)電池最高溫度（10℃以內(nèi)）和溫度均勻性沒有顯著影響。我們認(rèn)為這是因?yàn)殡S著每次后續(xù)設(shè)計(jì)迭代，隨著通道變窄，鋁冷板體積會(huì)增加以保持電池模塊的整體尺寸。這種情況為冷板提供了足夠的總熱質(zhì)量來消散電池產(chǎn)生的所有熱量。

2.冷卻通道裝置的影響

在本節(jié)中，我們分析了冷板的冷卻通道配置對(duì)熱性能和流動(dòng)性能的影響。具體來說，我們將注意力集中在冷板內(nèi)流路方向的影響上。如前所述，我們?cè)谶@里考慮基本配置的3種不同變體，(i)單通道蛇形（案例5），（ii）雙通道蛇形（案例6）和（iii）雙三通道（2-3-3-2) 蛇形（案例7）。

圖10 鋰離子電池以 1C 放電速率完全放電后冷卻劑速度大小的輪廓。結(jié)果繪制在不同通道形狀的垂直中間橫截面平面上，(a) 基本案例，(b) 案例 5，(c) 案例 6，(d) 案例 7。

圖10說明了不同冷板配置的中垂直截面冷卻劑速度大小的空間分布比較?？梢杂^察到，對(duì)于直通道配置，冷卻劑速度較低，因?yàn)閬碜悦總€(gè)入口的流量通過歧管分配到5個(gè)通道。另一方面，對(duì)于單個(gè)蛇形管（案例5），可以觀察到最高流速，因?yàn)閬碜匀肟诘乃欣鋮s劑都流過覆蓋整個(gè)板的一個(gè)可用內(nèi)部通道。

圖11 基本案例和案例 5 到 7 的冷板總壓降

圖12 平均傳熱系數(shù)作為基本案例和案例 5 至 7 的通道水力直徑的函數(shù)

圖 11 報(bào)告了不同通道配置的冷卻劑流的總壓降。來自 Maharudrayya 等人的工作。關(guān)于燃料電池的冷卻，眾所周知，冷板通道90度彎曲處的壓力損失會(huì)顯著影響總壓力損失，尤其是在高流速下。對(duì)于具有9個(gè)180°彎頭和高通道流速的配置5，發(fā)現(xiàn)壓降比基本配置高50倍以上。案例6和7的壓降趨勢(shì)相似，配置分別具有4和3個(gè)180°彎頭。然而，由于流速較低，與基本配置相比，案例6和案例7的壓降差異僅高出約10-15倍。不同冷板配置的冷卻劑平均HTC的變化如圖12所示。正如預(yù)期的那樣，對(duì)于單一蛇形配置（案例5）觀察到最高 HTC。另一方面，在案例7中觀察到最低的HTC，因?yàn)楫?dāng)流量從具有兩個(gè)通道的部分通過180°彎重新分配到具有三個(gè)通道的部分時(shí)，冷卻劑通道之間存在較大的流量不平衡。

圖13 通過對(duì)基本案例和案例5至案例7的數(shù)值模擬觀察到的最大電池溫度的時(shí)間變化

圖14 不同冷板配置的電池溫度均勻性

圖13和14分別說明了4種不同冷板配置的Tcell_max和溫度均勻性Tu的時(shí)間演變。所有冷板的最大電池溫度和溫度均勻性變化幾乎相同，由于平均HTC值較高，蛇形結(jié)構(gòu)的最大電池溫度略低。從換熱器設(shè)計(jì)可知，由于流動(dòng)分布更好，蛇形通道配置通常導(dǎo)致比平行通道更均勻的溫度分布。然而，通過我們基礎(chǔ)幾何形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，所有平行通道的流量分布相同，從而實(shí)現(xiàn)了卓越的熱性能。此外，單一蛇形配置的最高溫度的小幅下降可能不證明其使用是合理的，因?yàn)榕c之相關(guān)的壓降顯著更高（圖 10）。

結(jié)論

我們使用 3D 時(shí)間精確數(shù)值模擬進(jìn)行了參數(shù)研究，以分析冷卻劑通道尺寸和通道配置對(duì)具有 576 個(gè) 21700 形狀因子的圓柱形鋰離子電池的液體冷板的熱性能的影響。具體來說，我們討論了八種不同液體冷板的詳細(xì)幾何設(shè)計(jì)、CFD 模擬和分析。觀察到以下結(jié)果：

a.液體冷卻電池模塊上的冷卻劑壓力隨通道水力直徑的變化提供了冪律縮放指數(shù) -3.7。

b.冷卻劑傳熱系數(shù)隨通道水力直徑的變化提供了冪律比例指數(shù)-1。

c.隨著通道水力直徑的變化，整個(gè)電池模塊的最高電池溫度和電池溫度均勻性保持相對(duì)不受影響。

d.從所有的計(jì)算中可以看出，對(duì)于給定的整體尺寸、流動(dòng)路徑長(zhǎng)度、入口/出口端口的尺寸和固定的冷卻劑流量，液體冷板的真實(shí)性能取決于壓降和 HTC。

盡管模擬結(jié)果顯示基于熱指標(biāo)的所有冷板的性能幾乎相同，但基于整體壓降的基礎(chǔ)冷板設(shè)計(jì)優(yōu)于所有其他設(shè)計(jì)。因此，優(yōu)化液體冷板涉及性能指標(biāo)的組合，例如電池溫度變化、冷卻劑壓降和電池溫度?？傮w而言，這項(xiàng)研究提供了一種穩(wěn)健的數(shù)值方法，可通過將電池的實(shí)際瞬態(tài)熱量作為其充電狀態(tài) (SOC) 的函數(shù)來測(cè)試任何未來用于高能量密度鋰離子電池模塊的液體冷板設(shè)計(jì)迭代）。

文章來源：Pulugundla, G., Dubey, P., and Srouji, A., “Time-Accurate CFD Analysis of Liquid Cold Plates for Efficient Thermal Performance of Electric Vehicle Li-Ion Battery Modules,” SAE Technical Paper 2019-01-0500, 2019, doi:10.4271/2019-01-0500.

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