动力电池热管理系统复合散热装置的结构设计与优化

Structure design and optimization of compound cooling device for power battery thermal management system

摘要

针对空冷电池散热模组在温度场均匀性方面的局限性，以优化电池组散热结构和参数为主要研究内容，采用COMSOL Multiphysics软件建立电池组冷散热仿真模型对复合散热结构进行瞬态物理场分析，设计一种空冷与热管结合的新型复合散热方案，研究不同翅片间距、不同空气流速以及不同进风温度对电池组温度场的影响。结果表明，翅片间距是影响散热效果的主要因素，并采用双进双出口结构与设计热管进行复合设计，电池间距设为4 mm，气体流速定为6 m/s。优化后的复合结构与风冷散热电池模组对比，电池组最高温度为32.3 ℃，温差为1.9 ℃。该优化结果在控制电池组最高温度和电池组温度均匀化方面都表现更好，为新型复合散热方案应用于电动汽车提供了参考。

Abstract

To address the limitations of air-cooled battery cooling modules in terms of temperature field uniformity, and to optimize the battery pack air cooling structure and parameters, the COMSOL Multiphysics software was used to establish the simulation model of battery pack cooling and heat dissipation. The transient physical field analysis is carried out in the composite heat dissipation structure. A new type of composite heat dissipation scheme combining air cooling and heat pipe is designed. The effects of different fin spacing, air velocity and inlet temperature on the temperature field of battery pack are studied. The results show that the fin spacing is the main factor affecting the heat dissipation effect. The double inlet and double outlet structure and the design heat pipe are used for composite design, the cell spacing is set to 4 mm, the gas flow rate is set to 6 m/s. The results show that the maximum temperature is 32.3 ℃ and the difference is 1.9 ℃. The optimization results improve the control of battery temperature to a greater extent, and enhance the temperature field uniformity, so it provides a reference for the application of the new composite heat dissipation scheme in electric vehicles.

Graphical abstract

关键词

动力电池 / 复合散热 / 电化学-热耦合模型 / 结构优化

Key words

power battery / composite cooling / electrochemical-thermal coupled model / structural design and optimization

由于对能源需求日益增长，在保护环境和节约能源的背景下，全球正大力发展电动汽车^[1]。动力电池作为电动汽车主要能量来源，电动汽车的性能受动力电池性能的直接制约^[2]，电池包中电池单体温度的不均匀性会削弱电池的使用寿命^[3]，导致电池更换频次增加，提高使用成本。电动汽车的电池包由多个模组组成^[4]，模组间温度的不平衡会加剧电池的内阻和容量的差异，长时间累积会损害电池包，威胁整车的安全^[5]。为使电池在最佳的温度范围内充分展现性能^[6]，并能够保持电池模组间的均衡性^[7]，需对电池组进行热管理控制。

传统电池热管理系统是利用冷却和加热装置使电池在合适的环境温度下工作，其中电池组冷却散热的研究较为广泛^[8]。从散热的角度来说，目前常见的有液冷散热、风冷散热、热管散热和相变材料散热等^[9]。其中，风冷散热有高效的散热能力、稳定的散热性能和相对较低的成本^[10]。近年来，风冷散热受到了国内外学者的广泛关注和研究^[11]。为了使温度更均匀和冷却更有效，许多学者致力于优化气流通道和电池组布局的研究。Yu等^[12]建立了双向流动电池热管理系统(Battery thermal management system, BTMS)以提高空气冷却效率。Li等^[13]设计了一种利用热管技术的电池模块液冷系统，通过建立三维数值模型并采用标准k-ε湍流模型进行仿真分析，探讨了不同参数对电池模块温度场的影响，使电池单体最高温度和温差分别比原方案降低了6.95%和11.08%，液冷板通道高度是影响温度场最重要的因素。Fan等^[14]通过实验比较了空气冷却BTMS对电池组的不同排列方式的影响，发现对齐排列的电池组具有最佳的冷却性能和温度均匀性。Sun等^[15]通过对比Z型流和U型管道的冷却效果，在电池组中加入适当的波纹板，可以进一步降低集总电池的最高温度。Fan等^[16]通过3D瞬态分析发现，缩小单元间距或提高风扇流量，可以降低电池组的最高温度，并且适当的间距是保证最佳温度和均匀性的关键。胡长征^[17]构建了五种基于并行风冷热管理系统的电池组模型，运用计算流体动力学对其散热性能进行了对比分析。研究结果显示，双列结构和U形流道的电池组比单列结构和Z形流道的散热效果更佳；适度增加空气流量能有效增强电池组散热性能，但过大的流量不仅无法持续改善散热性能，还会导致温度均匀性变差。Park等^[18]表明了风冷BTMS适合用于小间距宽电池组。空气冷却虽然可以通过优化气流和电池布局来增强散热，但其导热系数和比热容低，在大倍率充放电时难以控制电池温升和保持温度场均匀。相比之下，热管散热在冷却能力和温度场均匀性方面更有优势。

本文利用COMSOL Multiphysics软件，在风冷散热基础上建立电池组空冷散热仿真模型，针对电池散热模组在温度场均匀性方面的不足，提出了一种结合空冷和热管的新型复合散热方案。设计热板、冷板、翅片、热管等散热部件的几何模型，并对结构参数进行优化，使其在控制电池组最高温度和保持电池组温度均匀性方面都有更好表现。

1 风冷电池组散热结构设计

1.1 风冷散热电池组结构建模

利用SolidWorks将8块软包磷酸铁电池单体串联成组，并置于并联风冷散热结构中进行仿真。并联风冷散热方式能够实现电池组整体的散热效果，保证电池组温度场分布均匀。如图1(a)所示，冷却空气从20 mm×50 mm×136 mm的矩形进风口进入电池模型，从右下方向左上方流动，与电池表面和中间流道进行热交换后，从出风口流出。

在COMSOL中导入电池组模型进行多物理场的设置，用自由四面体网格对模型做网格划分，以增强精度，对网格大小使用超细化处理。电池模型的完整网格包括191 802个域单元、32 692个边界单元和2 180个边单元。优化后的电池组网格模型如图1(b)所示。

1.2 风冷散热电池组仿真分析

本文首先利用COMSOL软件对电池组进行稳态温度场仿真分析。环境温度设定为30 ℃，电池间距为4 mm，风速为4 m/s^[19]。图2(a)显示电池组空气速度分布的结果，可以看出，空气从进风口进入电池组，经过流道后从出风口流出。当空气穿过电池间隙时，由于阻力作用风速变小，导致电池组温度分布不均匀。图2(b)显示电池组温度场分布的结果，可以看出，在电池组放电结束时，入口处温度最低，顶部温度最高。这可能是由于软包电池的纵向高度导致电池组箱体过高，使得气流流速减慢。电池组中间部分有多个电池，底部和顶部温差较大，这样会加剧电池组温度不均匀性，影响电池组的整体寿命。因此，需要在此模型的基础上进行进一步优化仿真，提高电池组的均温性。

1.3 电池组散热结构的优化

将冷却气体的流速定为6 m/s，8块电池单体采用双进口双出口结构模型^[20]，考虑到电池包空间有限，电池间距为4 mm。图3(a)、图3(b)分别显示了初始结构和优化后结构的温度场分布。

通过对两次仿真结果进行对比分析，优化前后电池组的温度场分布走势基本一致，电池组最高温度均位于中间部分电池单体的上方。初始结构的最高温度为39.8 ℃，优化后最高温度为33.5 ℃，下降了6.3 ℃。初始结构下电池组的温差为9.8 ℃，优化后电池组的温差仅相差3.35 ℃。优化后电池组整体温度明显降低，使整个电池组的温度均处于最佳范围，温度不一致性也得到了改善。

2 热管散热模组设计及仿真分析

2.1 热管设计

本文设计了基于热管冷却的热管理方案，并自行制作了一个热管散热电池组。热管散热电池组的设计模型如图4所示。热管散热电池组的传热性能与蒸汽腔管径尺寸、吸液芯结构、充液率等因素有关。

1）材料的选择

热管是利用工质相变来传递热量的传热元件，工质对热管工作特性有重要影响。表1列出了不同工质与管壳材料的工作特性。由于锂离子电池工作温度通常不超过45 ℃，本文选用蒸馏水作为工质，考虑到相容性，选用铜作为管壳材料。

2）初步计算蒸汽腔直径

根据热管传热极限来确定蒸汽腔直径和吸液芯。蒸汽腔管径大小影响管内流通面积大小，进而影响热管传热极限。利用热管声速极限，可以初步计算蒸汽腔直径，如式(1)所示：

d_v=\sqrt[]{\frac{\mathrm{20}{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{\mathrm{\pi }{\rho }_{v}r{\left(\mathrm{1.33}{R}_v{T}_v\right)}^{\mathrm{0.5}}}}(1)

式中：Q_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为热管最大传输功率；{\rho }_v为管内蒸汽密度；r为工质汽化潜热；R_v为蒸汽的气体常数；T_v为工作温度。

根据表2中数据计算蒸汽腔直径，得到0.99 mm。当蒸汽腔直径小于0.99 mm时，才会发生声速极限。

3）吸液芯的选择及设计

吸液芯选用铜材丝网结构。

丝网间距W为：

W=r_c=\frac{\sigma }{p_g}(2)

式(2)中，吸液芯所需克服的液柱静压力p_g为：

p_g={\rho }_{l}g\left(d_v\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi +l\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi \right)(3)

因此网目数N_m为：

N_m=\frac{\mathrm{1}}{W+d}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{r}_c}(4)

通过计算得到网目数为8 061 m^-1，相当于205目英制网孔。选择标准230目网孔，并转换为公制单位，如下：

N_m=\mathrm{230}\times \frac{\mathrm{1}\mathrm{000}}{\mathrm{25.4}}=\mathrm{9}\mathrm{055}{\mathrm{m}}^{-\mathrm{1}}(5)

因此选用230目多层铜丝网吸液芯满足要求。

最大毛细压力p_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为：

p_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{\mathrm{2}\sigma }{r_c^{\text{'}}}(6)

式(6)中，有效的毛细半径r_c^{\text{'}}为：

r_c^{\text{'}}=W=d=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{N}_m}(7)

渗透率K_{\mathrm{0}}为：

K_{\mathrm{0}}=\frac{d^{\mathrm{2}}{{\epsilon }_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{3}}}{\mathrm{122}{\left(\mathrm{1}-{\epsilon }_{\mathrm{0}}\right)}^{\mathrm{2}}}(8)

式(7)中，吸液芯的空隙率{\epsilon }_{\mathrm{0}}为：

{\epsilon }_{\mathrm{0}}=\mathrm{1}-\frac{\mathrm{1.05}\mathrm{\pi }{N}_{m}d}{\mathrm{4}}(9)

吸液芯截面积A_w为：

A_w=\frac{l_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}{Q}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}{\mu }_l}{\left(p_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-p_g\right)K_{\mathrm{0}}{\rho }_{l}r}(10)

吸液芯层数n为：

n=\frac{{\delta }_{\mathrm{0}}}{\mathrm{2}\times d}(11)

计算得n=9.05，为使热管有较大的富余能力，取n=10，故实际网厚{\delta }^{\text{'}}为：

{\delta }^{\text{'}}=\mathrm{1.1}\mathrm{m}\mathrm{m}(12)

4）实际蒸汽腔直径的计算

实际蒸汽腔的直径d_v^{\text{'}}为：

d_v^{\text{'}}=d_i-\mathrm{2}{\delta }^{\text{'}}(13)

利用公式计算得吸液芯网层数为10层，目数为230，网厚1.1 mm，实际蒸汽腔直径为3.8 mm。

5）热管传热极限的核算

核算吸液芯实际厚度下毛细极限Q_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为：

Q_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=\frac{p_{c,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}-p_g}{l_{\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{f}}\left(F_l+F_v\right)}(14)

式(14)中，蒸汽摩擦系数F_v和液体摩擦系数F_l分别为：

F_v=\frac{\mathrm{8}{\mu }_v}{r_v^{\mathrm{2}}{A}_v{\rho }_{v}r}(15)

F_l=\frac{{\mu }_l}{K_{\mathrm{0}}{A}_w^{\text{'}}{\rho }_{l}r}(16)

A_w^{\text{'}}=\mathrm{\pi }{d}_i{\delta }^{\text{'}}(17)

计算得毛细极限为25.15 W，符合要求。

核算携带极限Q_{e,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}为：

Q_{e,\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=A_{v}r{\left(\frac{{\rho }_v\sigma }{W}\right)}^{\mathrm{0.5}}(18)

计算得携带极限为645 W。

因此，本文设计的热管蒸汽腔层数为10层，直径为3.8 mm，网厚1.1 mm，吸液芯网目数为230，热管总长度为335 mm。

2.2 冷板设计

设计了一种利用热管冷却动力电池的方法，为了增大电池与热管的接触面积，提高散热效果，本文在电池间隙之间布置了冷板，并将热管嵌入冷板内，本文选择铝合金作为冷板材料。

采用多根热管嵌入冷板的方法来冷却软包磷酸铁锂电池，由于电池很薄，仅为7.6 mm，此方法不仅能有效带走电池的热量，保证电池温度均匀，还能减少冷板的数量。为了平衡热管的数量、散热效果和过度冷却的问题，在冷板中设计了4根热管的凹槽，并用两块冷板对称地夹住热管，达到更好的散热效果。冷板设计如图5所示。

2.3 翅片设计

为了提高热管散热性能，在热管冷凝段外加装平板式翅片，增加与空气对流换热的面积^[21]。冷凝段只是光管时，空气与光管接触面积过小，散热效果差。设计选择铝合金作为翅片的材料。

根据式(19)可推算出所需翅片的面积

q_a=q_h=c\dot{m}\mathrm{\Delta }T=h{A}_c\mathrm{\Delta }T(19)

式中：q_a为空气被加热后的能量W；q_h为对流换热带走的热量；\dot{m}为空气的质量流量；A_c为翅片的表面积。

本文根据式(19)计算出翅片面积为A_c=4.92 m²。为了满足电动汽车轻量化的要求，翅片截面面积与电池单体厚度方向上的截面相同。本文设计了14个厚度为1 mm的铝合金翅片，翅片设计如图6所示。空气流过翅片时，其流量可由式(3)得出。计算结果表明，空气流速至少为5 m/s，即流量至少为3.4 m³/min。

2.4 热管散热几何模型

本文设计热管冷却电池模组的几何模型，如图7(a)所示。该模组结构与排布方式具有对称性和重复性，只需分析本部分系统散热情况，可扩展到整个电池包。在计算精度不受影响的前提下，对求解域进行了计算。根据不同的网格尺寸，对求解域做了网格划分，从而得到了1 170 019个网格单元。图7(b)显示了划分后的网格模型。

3 热管散热结构参数优化

3.1 模型设置

根据计算结果，电池模组进风口的雷诺数为17 976，说明气体的流动状态是湍流，所以本文选择k-ε湍流模型来模拟流体的流动。该模型的输运方程如下：

\frac{\partial (\rho k)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho k{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k-\rho \epsilon(20)

\frac{\partial (\rho \epsilon )}{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho \epsilon u_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+C_{\mathrm{1}\epsilon }{G}_k-C_{\mathrm{2}\epsilon }\rho \frac{{\epsilon }^{\mathrm{2}}}{k}(21)

式(20)、(21)中：C_{\mathrm{1}\epsilon }、C_{\mathrm{2}\epsilon }为经验常数；{\sigma }_{\epsilon }为湍动能对应的普朗特数；{\sigma }_k为湍流耗散率对应的普朗特数；G_k为湍动能k的产生项；{\mu }_t为湍流粘度。

其中G_k、{\mu }_t的计算公式如下：

G_k={\mu }_t\left(\frac{\partial u_i}{\partial x_j}+\frac{\partial u_j}{\partial x_i}\right)\frac{\partial u_i}{\partial x_j}(22)

{\mu }_t=\rho C_{\mu }\frac{k^{\mathrm{2}}}{\epsilon }(23)

将求解域的环境温度设为30 ℃，动力电池的单位体积生热率设为10 776 W/m³，为了更好地模拟动力电池热管冷却系统的散热效果，假设电池模组的外表面为绝热面，即将其流换热系数设为0 W/(m²·K)。

将气体的入口边界条件设为速度入口，由式(2)计算得入口速度为4 m/s，气体入口处的温度与环境温度设为30 ℃，将气体的出口处的边界条件设为outflow。

在对电池包进行多场耦合分析时暂不考虑热管内部复杂的流动和相变过程，以当量导热系数来表征热管优异的导热性能。将热管的当量导热系数设为15 700 W/(m·K)。对所设边界条件电池散热模组进行仿真，如图8所示，翅片的下侧为出风口，上侧为空气的入口，可以看出，整个散热系统的温度范围为30.5~35.3 ℃；电池模组的温度范围为30.8~35.3 ℃。从空气的入口到出风口，翅片和动力电池的温度都呈逐渐升高的趋势，并且距离翅片越近，动力电池的温度越低。由于冷板中的热管可将电池生成的热量传到冷凝端，靠近冷板处的电池温度低于远离冷板处。

3.2 翅片间距对散热效果的影响

为研究翅片间距对动力电池模组温度分布的影响，本文在考虑车内布置空间和热管长度的基础上，分别模拟了翅片间距为1、2、3、4、5 mm时的电池模组温度情况，表3显示了不同翅片间距下电池模组的温度情况。可以看出，翅片间距越大，电池模组的最高温度和最低温度都越低，温升和温差也越小。例如，当翅片间距由1 mm增加到5 mm时，电池的温升从2.6 ℃降到2.1 ℃，温差从2.0 ℃降到1.8 ℃。这说明翅片间距的增大有利于降低电池模组的温度和提高其均温性。

图9展示电池模组温度与翅片间距的关系，可以看出，翅片间距越大，电池模组的最高温度和最低温度都越低，温差也越小。当翅片间距为4 mm或5 mm时，电池模组的温差达到最小值4.09 ℃，均温性最优。但随着翅片间距的继续增大，电池模组温差的下降速度逐渐减慢，温差曲线趋于平稳，再增大翅片间距对减小温差的效果不明显，只能控制温度范围。因此，在考虑车内布置空间的情况下，选择翅片间距为4 mm较为合适。

3.3 风速对散热效果的影响

风速是影响热管冷凝段空气冷却效果的重要因素之一。本文在翅片间距为4 mm，环境温度为30 ℃的条件下，设定进气温度为30 ℃，分别模拟计算了风速为4、5、6、7 m/s时的电池模组温度分布情况，计算结果如表4所示。数据分析显示，随着进气风量的增大，电池模组的最高温度和最低温度均降低，温度范围和温差也相应减小，电池模组的均温性有所改善。

图10显示了风量与电池模组温度、温差的变化关系。从图中可以看出，随着进气风量的增加，电池模组的最高温度和最低温度趋于稳定，温度变化率减小，温差降低不明显，这表明进气风量过大时，对降低电池模组的最高温度和最低温度、缩小温差、提高均温性的作用有限，因此无需过大的风量。

3.4 进气温度对散热效果的影响

为分析进气温度对电池模组温度分布的影响，保持其他条件不变，分别模拟进气温度为10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃时的电池模组温度分布情况，计算结果见表5。从表中得出，随着进气温度的升高，电池模组的最高温度和最低温度都相应增加，说明进气温度对电池模组温度范围有较大影响。在不同进气温度下，电池模组的温差基本保持不变，每组数据与前一组相比，电池模组的温差等于进气温度之差。因此，改变进气温度只能改变电池包的温度范围，不能改善电池模组的均温性。

图11表示电池模组温度和温差随进气温度的变化曲线。随进气温度升高，电池模组的最高温度和最低温度也呈近似线性增长，而温差基本保持不变。这说明进气温度对电池模组冷却效果有显著影响，降低进气温度能有效抑制电池模组的温升，对改善电池模组温度分布的均匀性作用不大。

3.5 风冷散热与复合热管散热效果对比

本文将基于热管冷却热的复合管理方案和典型的风冷方案在最高温度、最低温度和温差方面的差异绘制冷却效果对比图。如图12所示，在相同的工况条件下，风冷方案下电池模组的最高温度和最低温度均高于复合热管方案，说明本方案能够有效降低电池模组的整体温升；同时，风冷方案下电池模组的温差达到9.8 ℃，远高于热管方案的1.9 ℃，表明热管方案能够显著减小电池模组的温差，提高其均温性和合理性，相比风冷方案具有更大的优势。

4 结论

本文建立了方壳磷酸铁锂电池组散热结构的仿真模型，并对风速和气体流道进行了优化设计，并根据电池模组的温度场分布得出以下结论：

1）选择6 m/s的风速和双进双出的气体流道，仿真结果显示，优化后的电池组最高温度降至33.5 ℃，最大温差缩小至3.5 ℃，有效降低电池组的整体温度，同时提高了电池箱内的温度均匀性。

2）翅片间距为4 mm时，电池模组温度分布最为均匀，最高温度为32.3 ℃，温差为1.9 ℃。

3）进气风量越大，电池模组的最高温度和最低温度越低，但温差变化不大，过大的风量对提高电池包的均温性作用不明显。

4）进气温度较低能够有效降低动力电池模组的整体温升，但对改善电池模组的均温性影响不大。

5）对风冷和新型复合热管冷却的两种散热方案进行了对比分析，在风冷散热方案下，电池模组温升过高，均温性差；复合热管散热方案下，电池模组均温性好，温差小，温度分布更合理。

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基金资助

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZZ22373)

内蒙古工业大学科学研究项目(ZZ202120)