摘    要   

鋰離子電池在汽車領域有著突出的用途。所有制造混合動力汽車(hev)和電動汽車(ev)的主要原始設備制造商都會用到鋰電池，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。當前輸入或輸出的電量會影響電池的內(nèi)阻和溫度。因此，鋰離子電池在運行過程中產(chǎn)生的熱量對于為混合動力汽車和電動汽車設計經(jīng)濟高效的熱管理系統(tǒng)(TMS)至關重要。為此，必須為車輛選擇合適的鋰離子電池組冷卻機制，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)，這對提高電池的性能、安全性和壽命至關重要。對于高能鋰離子電池模塊，這項工作提供了空氣型和液體型熱管理系統(tǒng)的比較。采用計算流體力學(CFD)方法對不同流體條件下熱管理系統(tǒng)的冷卻性能進行了研究。在本研究中，12v模塊由5個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模塊熱行為的影響進行了評估和比較?？諝狻⒁叶己退牧魉俜謩e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。實驗結(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）電池對充電和放電電流等操作條件的變化非常敏感，這會導致溫度升高。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現(xiàn)。流速的增加顯著引起電池溫度降低但達到一定水平。之后，功耗迅速增加。這就是為什么有效冷卻納米流體被認為為電池熱管理提供主動冷卻。由于其極高的導熱性，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。所述分析可以進一步擴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)當由放置在模塊頂部的風扇提供強制空氣冷卻時，它實現(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，當放電速率分別為1C和1.5C時，將83.2％和49％的能量消耗分別應用于具有18個圓柱形電池的兩個電池模塊。通過增加冷卻通道尺寸，電池的溫度可以進一步降低，但達到一定水平。此外，Mohammadian等人通過使用液體電解質(zhì)和水溶液比較內(nèi)部和外部冷卻對棱柱形鋰離子電池的影響。他們發(fā)現(xiàn)，對于0.024w的泵送功率，內(nèi)部冷卻使電池溫度的標準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）板充當細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)建了一個全面的3d熱模型，該模型考慮了同時定位的凹痕對流和輻射，以提高邊界精度。因此，可以準確地實現(xiàn)表面溫度分布不對稱和溫度分布異常等基本現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)，由于每個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，流動方向和入口尺寸對散熱的影響。他們得出結(jié)論，當微型通道數(shù)少于4個，入口質(zhì)量流量為1×10-3公斤時，42,110個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力電池采用蛇形通道排列的U型管液體冷卻技術的冷板。仿真結(jié)果表明，具有五個通道的最長流向通道配置提供了優(yōu)越的冷卻效果。冷卻液的輸入對溫度和壓降的標準偏差幾乎沒有影響。冷板的最高溫度隨著冷卻液溫度的升高而升高，因此冷卻液溫度應保持在最低水平。楊等人提出了用于電池熱管理的液態(tài)金屬型冷卻劑，并將其與水冷卻進行了比較。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)量和應用方面進行了比較。主動冷卻和被動冷卻、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)的分類中進行了介紹。對于電池組設計，在設計方案上對串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)組合以及直接和間接冷卻系統(tǒng)進行了對比。陳等人提出并研究一種氨水聯(lián)合動力和冷卻系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，儲存在內(nèi)燃（IC）發(fā)動機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%。劉等人針對使用化學還原法在銅（Cu）存在下的水的導熱系數(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率，即對于0.1vol%的Cu，導熱系數(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）的標稱直徑（20,50和100nm）下的氧化鋁（Al2O3）水納米流體的導熱率作為粒度，溫度和重量分數(shù)的函數(shù)）對于工作溫度（10，30，50°C）在該實驗中進行了調(diào)查。研究結(jié)果揭示了高導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18650型電池上包含一個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液體，即水和乙二醇以及納米粒子（Fe2O3）的三種不同體積分數(shù)（1％，2％和5％），以研究納米流體對鋰離子電池熱管理的影響。調(diào)查以四種不同的放電率（1.0、1.5、2.0和2.5）對15個電池模塊進行。結(jié)果表明，由于水具有比乙二醇更好的導熱系數(shù)，水具有最佳的納米流體冷卻劑參數(shù)。電池的C率升高時電池模塊的溫度升高。此外，增加了納米流體的體積分數(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，對鋰離子棱柱電池進行了很少的研究。這項工作是獨一無二的，因為它融合了納米顆粒Al2O3在加入50%水+50%MEG溶液時充當冷卻劑。這項工作是對以前在這一領域所做的工作的獨特延伸。

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計自由度，可以堆疊它們(因為它們的矩形形狀)，并有可能減少它們在貨物中占用的寶貴空間。

圖1 單電芯結(jié)構(gòu)

對尺寸為169mm寬、179mm長、15mm厚的棱鏡型鋰離子電池進行建模。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、正標簽和負標簽。堆疊結(jié)構(gòu)由活性體表示，活性體包括正負活性材料、分離層、鋁箔和銅箔。通過細胞的電流流動被收集使用正和負標簽。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

在對冷卻系統(tǒng)進行仿真時，考慮了五個單元的組合，并在ANSYS Fluent中進行了建模。冷卻材料在電池組周圍流動。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條件

風冷和水冷仿真

冷卻介質(zhì)流過兩個電池之間的間隙并直接接觸電池表面（圖4）。運行一系列模擬以確定修改冷卻劑流速對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個時間步，圖5表示出了流體流動狀態(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作為體積分數(shù)，就能使乙醇-水混合物的導熱系數(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。對不同體積分數(shù)的納米流體進行了冷卻模擬，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)濟高效設計需要對鋰離子電池在運行過程中產(chǎn)生的熱量有基本的了解。溫度對電池的容量、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間來定義的。利用MSMD模塊在一個流體單細胞中進行了測試，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，計算得到的熱流密度為101.96 W/m2，在321 K時觀察到相應的溫度。

圖6 單電芯表面溫度隨時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，導致模塊最熱的區(qū)域暴露在后側(cè)附近?？諝馔ㄟ^冷卻通道時溫度升高。因此，排氣歧管內(nèi)的空氣溫度遠高于進氣歧管。在圖7中，當氣流速率為0.5 m/s時，電池溫度從342 K下降到320 K。當流速增加到1 m/s時，溫度從322 K下降到307 K。當氣流速率進一步升高1.5 m/s時，溫度從315 K下降到303 K。當氣流速率增加2 m/s時，溫度從309 K進一步下降到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，當水流速度為0.5 m/s時，電池溫度從326 K下降到314 K。當流速增加到1m/s時，溫度從319 K下降到306 K。水流速率進一步升高1.5 m/s，會影響溫度從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，因為它的導熱系數(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)

 在進口側(cè)附近，由于流速最大，進口流體溫度較低，溫度降至296 K。當它接近出口時，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。提高進口溫度會使溫升速度變慢，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，因為它們將電池的溫度從337K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，其基礎流體由水和二甘醇的組合組成，以及各種體積分數(shù)的穩(wěn)定懸浮納米顆粒。體積分數(shù)是納米顆粒的體積與納米流體的體積之比。隨著體積分數(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)隨體積分數(shù)的增加而增大。過量納米粒子的加入會增加泵送的力度。

圖9 用Al2O3納米流體冷卻的電池表面溫度

圖10 不同體積分數(shù)的納米流體出口溫度

04  結(jié)    論 

在風冷和液冷組件中，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冷模塊。出口和進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。空氣冷卻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.