IF 5.6 | NCU, China | 电池底部和径向耦合散热模型热管理系统

1. 原文链接

DOI Link:

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124794

2.通讯作者

• Googlescholar:

https://scholar.google.com/citations?user=mwuH5lgAAAAJ&hl=en&oi=sra

• ScienceDirect:

https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=55467428400

• UniversityWeb:

https://jdgcxy.ncu.edu.cn/szdw/jshiml/xjzzxynyydlgcxjsml/bd8c61bee98d422cb37e88e978d6ffab.htm

3. 收录日期

4. 研究内容

1. 科学问题

• 采用数值模拟方法研究针对锂离子电池组散热性能优化，分析耦合热柱的冷却模型对电池温度分布和散热性能的影响

2. 实验与模型方法

1. 电池模块结构

• 电池包由 6×16 的错列 21,700 锂离子电池组成，电池间距为 23 mm。

• 每三节电池中间加入铝制热柱，填充电池间微小间隙以增强传热效果。

2. 热柱设计 (Fig. 1(a))

• 每节电池周围分布有 6 根热柱，沿圆周方向以 60° 等间距排列。

• 热柱设计为三弧面，其半径等于电池半径，确保电池与热柱紧密贴合，增加接触面积以提升热交换效率。

3. 对流传热忽略 (Fig. 1(d))

• 由于电池处于密闭的电池包中，空气流动有限，忽略间隙内的自然对流。

4. 热柱主要几何参数

• 热柱高度h和接触角α 可调节，以优化冷却性能。

5. 隔热板设计

• 电池底部设置 1 mm 厚的穿孔隔热板，其结构整合了导热胶与隔热板，用于仿照 Rivian 汽车的实际电池包设计。

• 热柱穿过隔热板直接连接冷却板以增强热交换 (Fig. 1(b))。

6. 冷却板设计

• 冷却板由铝制成，包含 30 个流道，每个流道尺寸为 2 mm × 3 mm，相邻流道之间直翅宽度为 2 mm。

• 冷却液为 1:1 的水-乙二醇混合物，初始温度为 20 ℃。

Fig. 1. Schematic diagram of the battery module: (a) top view, (b) cross-sectional view, (c) isometric and explosive view, (d) schematic diagram of the thermal column.

2.2 数学模型

1. 模型假设：

1. 材料的热物理性质保持不变。

2. 不考虑热柱与电池之间的热接触电阻。

3. 忽略电池与空气之间的辐射和对流换热。

动量方程:

能量方程:

电池和热柱的能量方程：

冷却剂的雷诺数：

锂离子电池均匀产热率：

电池芯产生的热量占所有热源的主导地位，其热率表示为：

2.3 电池加热速率与热模型

1. 电池加热速率 (Fig. 2(a))

• 在 30 ℃ 环境温度下，不同放电倍率下的电池加热速率。

2. 平均加热功率计算 (Fig. 2(b))

• 使用积分公式拟合曲线得到电池的平均加热功率。

3. 集中热模型

• 采用集中热模型，将电池简化为一个圆柱形热源。

4. 热导率差异

• 圆柱形锂离子电池由卷绕的电极和隔膜层组成，导致其轴向、径向和切向的热导率不同。

5. 冷却模块性能评估

• 在 1C 和 2C 放电倍率下，分析冷却模块对电池包最大温度、温差等参数的影响。

Fig. 2. Relationship curve between heating rate, SOC and discharge rate of 21,700 lithium-ion battery(a) Relationship curve between SOC and heating rate at 1C, 2C discharge at 30℃; (b) Average calorific value.

2.4 网格无关性测试与模型验证 (Fig. 3)

1. 网格无关性测试

• 测试六种网格方案，当网格数量达 4,773,300 时，最大温度和温差变化小于 0.3%，选用该方案进行模拟。

2. 模型验证

• 仿真结果误差最大为 2.1%，证明模拟方法可靠。

Fig. 3. (a) A schematic of the grid; (b) Grid independence verification.

3. 研究结果

3.1 耦合冷却模型与传统冷却模型对比

1. 冷却方式对比

• 传统冷却模型：仅采用底部冷却板，电池直接放置在隔热板和冷却板上。

• 耦合冷却模型：在底部冷却板基础上，增加热柱用于径向冷却，热柱填充电池间隙并提高机械强度。

放电倍率与冷却效果

1C 放电时：

• 传统模型最高温度为 31.9 ℃，耦合模型为 26.6 ℃，温度降低 16.6%。

2C 放电时：

• 传统模型最高温度为 46.3 ℃，耦合模型为 31.5 ℃，温度降低 32.0%。

温度分布特性 (Fig. 5)

• 传统模型温度分布呈阶梯式增加，高温区分布分散。

• 耦合模型因热柱形成额外热路径，高温区分布更集中，便于监测与控制。

• 温差与一致性

• 1C 放电时，两模型温差相近。

• 2C 放电时，耦合模型显著降低电池温差，提高温度一致性。

热柱作用

• 热柱增强电池与冷却板的直接热交换，减小隔热板导致的温差，提高整体散热性能。

Fig. 4. Cooling model of conventional bottom cold plate.

Fig. 5. Comparison of temperature distribution between coupled cooling model and conventional cooling model at the A-A cross section (see Fig. 1 and Fig. 4) of the battery module.

3.2 热柱高度对电池包散热性能的影响 (Fig. 6, Fig. 7)

1. 热柱高度设置

• 分析热柱高度为 40 mm、50 mm、60 mm 和 70 mm 的耦合冷却模型。

• 质量能量密度随热柱高度变化 Table 4。

2. 温度变化规律 (Fig. 6)

第一阶段：

• 最大温度和温差逐渐增加，热柱高度对初始阶段影响较小。

• 随电池发热积累，顶部温度高于底部，较高热柱有助于将顶部热量传至冷却板，降低温差。

第二阶段：

• 温度趋于稳定，冷却液带走的热量与电池产生的热量平衡。

• 热柱高度越高，最大温度和温差越低，特别在 2C 放电时显著：最大温度和温差分别降低 1.9 ℃ 和 2.1 ℃。

3. 热柱高度优化

• 热柱高度超过 60 mm 时，温度降低效果减弱：

• 1C 放电时，热柱从 60 mm 增至 70 mm，最大温度仅降低 0.1 ℃。

• 2C 放电时，最大温度降低 0.3 ℃。

• 不必减少质量能量密度提升热柱高度至超过 60 mm。

4. 温度分布与热路径 (Fig. 7)

• 热柱高度从 40 mm 增至 70 mm，电池与热柱接触面积增加。

• 温度靠近冷却板下游和电池顶部较高，因存在两条主要热路径：

路径一：底部与冷却板的热交换。

路径二：通过热柱传导至冷却板的侧向热交换，占总热量交换的 88%-89%。

• 结果表明，热柱有效增强电池散热性能。

Fig. 6. Time histories of the maximum temperature and temperature difference of the battery pack for the four thermal column height cases: (a) Discharge rate of 1C, (b) Discharge rate of 2C.

Fig. 7. Temperature distribution at the A-A cross section at the end of discharges with different thermal column heights: (a) 1C and (b) 2C.

3.3 冷却液流速对电池包散热性能的影响 (Fig. 8, Fig. 9)

1. 冷却液流速与散热性能

流速增加时，最大温度和温差先迅速下降，后趋于平稳。

1C 放电 (Fig. 8(a)):

• 流速从 0.05 L/min 提高至 0.25 L/min，最大温度从 42.5 ℃ 降至 27 ℃，温差从 19.4 ℃ 降至 5.3 ℃。

• 流速达到 0.45 L/min 时，最大温度和温差降至 24 ℃ 和 3.9 ℃。

• 同时压力降增大，从 120.5 Pa 增至 218.6 Pa (Fig. 9)。

2C 放电 (Fig. 8(b)):

• 流速从 0.2 L/min 增至 0.6 L/min，最大温度从 41 ℃ 降至 31 ℃，温差从 19.1 ℃ 降至 9.4 ℃。

• 流速继续增加后，温度和温差下降趋势减缓。

2. 冷却性能与模型对比

耦合冷却模型优越性：

• 相较传统模型，在 1C 放电时，最大温度和温差分别降低 5 ℃ 和 1.3 ℃；

• 在 2C 放电时，最大温度和温差分别降低 15 ℃ 和 4.4 ℃。

• 耦合冷却模型可在较低冷却液流速下实现更好的散热效果，降低功耗。

3. 优化建议

• 进一步提高冷却液流速对散热性能的提升有限，但会显著增加压力降。

• 建议选择较低的流速以平衡散热性能与能耗。

Fig. 8. The maximum temperature and temperature difference of the battery pack between the coupled cooling model and the conventional cooling model under different flow rate conditions: (a) 1C discharge rate; (b) 2C discharge rate.

Fig. 9. Pressure drop of the coolant at different flow rates.

3.4 冷却液流速对单体电池传热的影响

1. 单体电池温度变化规律

• 冷却液流动方向上电池温度逐渐升高 (#1 到 #16)。

• 流速越低，最大温度的增幅越大。

• 增加流速后，最大温度先快速下降，随后趋于平稳。

2. 耦合冷却模型与传统冷却模型对比 (Fig. 10)

1C 放电 (Fig. 10(a))：

• 流速从 0.05 L/min 提高至 0.45 L/min，耦合冷却模型下 #1 电池最大温度下降 4.2 ℃，#16 电池下降 18.4 ℃。

2C 放电 (Fig. 10(b))：

• 流速从 0.2 L/min 提高至 1.0 L/min，耦合冷却模型下 #1 电池最大温度下降 1.8 ℃，#16 电池下降 12.55 ℃。

• 耦合冷却模型在 1C 和 2C 放电下分别比传统冷却模型降低单体电池最大温度约 5 ℃ 和 15 ℃。

3. 电池行内温差 (Fig. 11)

传统冷却模型：

• 行内温差受流速变化影响较小，2C 放电时温差超过 8 ℃，超出锂电池允许范围。

耦合冷却模型：

• 温差随流速增加快速下降。

• 2C 放电时，行内温差小于 5 ℃，在锂电池安全范围内。

4. 优势与优化建议

• 耦合冷却模型显著降低单体电池温度和温差，可在较低流速下保持合理温差，提升系统效率并减少能耗。

Fig. 10. Maximum temperature of the second row batteries of the battery pack at different flow rates: (a) Discharge rate of 1C; (b) Discharge rate of 2C.

Fig. 11. Temperature difference of each individual battery under different flow rate conditions: (a) Discharge rate of 1C; (b) Discharge rate of 2C.

4. 重要结论

1. 耦合冷却模型显著提升散热性能

• 在底部冷却基础上引入热柱进行侧向散热，降低电池最大温度和温差；1C 和 2C 放电时最大温度分别下降 16.6% 和 32%。

2. 热柱高度对散热影响显著

热柱高度从 40 mm 增加至 60 mm，显著降低最大温度和温差；超过 60 mm 后降温效果趋于平缓，且对质量能量密度影响较大。

3. 冷却液流速优化

• 增加冷却液流速能显著降低最大温度和温差，但当流速较高时，降温效果趋于饱和，同时增加压降。耦合冷却模型可用较低流速实现较优冷却性能。

4. 单体电池温度分布均匀性改善

• 耦合冷却模型使电池行内温差明显降低，2C 放电时温差小于 5 ℃，显著优于传统冷却模型。

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