基于液冷電池模組的結構優化與熱蔓延抑制
摘要
本工作通過數值仿真研究了一種新型液冷殼體結構的電池模組熱性能，并通過實驗測量驗證液冷殼體結構的散熱和熱蔓延抑制特性。模組由4×5顆圓柱電池和液冷殼體組成，殼體內部設計流道提供液冷散熱。仿真模型通過建立電池模組的等效電路子模型(ECM)模擬電池產熱，研究殼體內部流道排布對熱性能影響，以電池模組最高溫度、最大溫差和進出口壓降作為性能評價指標，并引入期望函數以獲得優化的殼體流道排布。基于優化的流道組合制備了一進兩出的液冷殼體，組裝三元18650真實電池模組進行熱性能實驗研究。研究發現：一進兩出結構的熱性能優于一進一出結構，3 C放電速率和1 m/s入口流速下與基準案例相比，最優情形1(短邊側一進兩出流道排布)的最高溫度增加了0.3%，但溫差減少了8.87%，壓差減少了66.5%。真實電池模組實驗中充放電倍率越大，電池溫度越高，匯流排焦耳效應影響越大。降低冷卻液溫度會導致放電時間變短、電池模組能量效率下降。最后采用高功率電池產熱模型模擬熱失控，實驗發現在熱失控功率600 W下相鄰電池溫度在57.4 ℃，不會發生熱失控與熱蔓延，即新型液冷殼體兼具散熱、均溫和熱蔓延抑制作用。
新能源汽車是我國的重點產業發展方向，是實現雙碳目標的重要舉措。鋰離子電池因其能量密度較高、使用壽命較長、自放電速率較低而在電動汽車中廣泛使用，逐漸成為新能源汽車的理想電源。然而鋰離子電池仍面臨熱管理與熱安全問題，鋰電池在充放電時因內阻產熱會使電池溫度升高，在高倍率情況下產熱更為顯著，如果缺乏熱管理或者熱管理不當可能引發熱失控，并且單體熱失控會進一步蔓延導致整個電池包的熱失控。因此設計合理的電池熱管理系統(BTMS)對穩定電池模組溫度、抑制電池熱失控與熱蔓延具有重要意義。
目前電池熱管理方式包括空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻等。空氣冷卻具有結構簡單、容易實現、成本較低的優點，能夠滿足低功率小型汽車熱管理需求。但是空氣導熱系數低、沿程加熱效應明顯，難以滿足長續航大功率電池包的熱管理要求。相變冷卻是利用PCM的潛熱對電池進行被動冷卻，不需要額外的能量消耗，但缺點是導熱系數低，完全熔化后散熱作用基本喪失。相比而言，液體冷卻具有更好的換熱性能。Lai等]提出了用于圓柱電池模組冷卻的并聯曲面液冷結構，并討論了質量流量、內徑、接觸高度和接觸面角度對其熱管理性能的影響。Zhao等在圓柱電池表面布置蛇形通道對其電池模組冷卻，在5 C放電倍率下獲得良好的均溫性能。Zhong等在3×3模組熱失控蔓延實驗中使用與電池尺寸一致的加熱裝置模擬熱失控電池，在輻射功率200 W下熱失控電池表面溫度達到750 ℃，與18650電池熱失控最高溫度相近，發現增大間隙可以改善電池冷卻條件、抑制熱失控傳播。Wang等選取了8個NCM811型18650鋰離子電池模組、功率300 W的加熱器用于測試觸發相鄰電池，研究不同電池間距和觸發溫度等對熱失控傳播的影響，增加熱失控觸發溫度和電池間距可以降低熱蔓延的風險。
從文獻調研可以看出，對圓柱電池熱管理和電池熱失控抑制已取得一定進展，但同時研究熱管理和電池熱失控模組耦合設計較少。另外，電池之間匯流排連接存在導熱與發熱效應，對電池溫度會產生影響，但相應報道不多。本工作研究一種基于新型液冷殼體結構的電池模組，模組由4×5顆圓柱電池和殼體結構組成。首先建立等效電路子模型(ECM)通過數值仿真對殼體結構進行研究，以最高溫度、溫差和進出口壓降作為性能評價指標，引入期望函數求解計算獲得較優的流道排布。并根據優化結構搭建了真實電池模組實驗平臺，進行不同充放電倍率、流量條件下熱性能的實驗研究，最后采用模擬電池作為異常產熱的熱失控電池，實驗驗證了新型液冷殼體結構的熱蔓延抑制功能。
1 數值模型與實驗研究
1.1 新型電池模組液冷殼體模型
本工作提出一種新型液冷殼體典型結構，如圖1所示。液冷殼體設置4×5個直徑為18.5 mm的通孔以放置18650鋰離子電池，電池之間內置多個橫向與豎向流道，除了中間兩排電池通孔距離擴大為28.5 mm便于設置進口，其余電池通孔之間的中心距為26.5 mm，位于角落電池通孔距離外側面18.25 mm。為了增強換熱，在結構的側面開有流體的進口和出口，截面尺寸均為4 mm，結構內部有相通的各支路流道，流道截面尺寸均為4 mm，豎向流道的高度為52 mm，殼體整體尺寸為142.5 mm×118 mm×59 mm。進口和出口均設置了匯流槽結構，匯流槽有分流和降低壓差的作用，同時減輕了散熱結構的質量。
圖1 新型液冷殼體電池模組示意圖：(a) 電池模組的整體結構；(b) 電池模組三維數值模型；(c) 電池模組俯視圖1—匯流排；2—電池單體；3—橫向流道；4—豎向流道；5—匯流槽；6—液冷殼體；7—進口；8—出口
1.2 模型邊界條件設定及網格獨立性驗證
通過ANSYS 2022R2中等效電路子模型(ECM)對電池模組進行熱仿真分析，進行以下假設：
①所有材料的熱物性參數均為常物性，不隨溫度變化；
②只考慮電池頂部與底部和環境自然對流，殼體結構的四周側面均設置為絕熱條件；
③電池其余表面與液冷殼體結構之間進行導熱，忽略電池與結構之間的接觸熱阻；
④冷卻液(水)為不可壓縮的牛頓流體，熱物性設為常溫值。數值模型設定的新型液冷殼體結構中各部件的詳細熱物性參數如表1所示。
模型的邊界條件設置為：環境溫度為25 ℃，電池頂部和底部與環境的對流換熱系數均設為5 W/(m2?K)，進口冷卻液溫度為25 ℃，出口的相對壓力為零，電池3 C放電倍率，進口的流速固定為1 m/s。為了便于網格劃分和數值計算，在研究最佳流道組合時，采用相同水力直徑的方形流道。
表1 模擬所用材料的熱物理性質
在進行結構數值仿真前，首先對數值仿真模型進行了網格獨立性驗證。對比的網格數量包括709875、942150、1303645、1702364以及2259827，結果表明隨著網格數量的增加，電池模組的溫度趨于平穩。計算網格數量從1303645增至2259827時，電池模組的最高溫度和溫差變化很小，相對偏差分別為0.20%和0.43%，平衡計算時間與精度，本工作采用1303645的網格數量模型。
1.3 最佳流道組合的選取
本節研究液冷殼體進出口的位置及數量對電池模組的熱性能影響。進出口位置及數量分為3種情況：
①進口和出口的位置在相對的長邊側，即一進一出(對應圖2基準情形)；
②一個進口和兩個出口的位置均位于短邊側，其中進口位于短邊的中間位置，形成一進兩出對稱結構。
數值仿真結果顯示一進一出布置的壓差遠大于一進兩出布置，而最高溫度和最大溫差差別不明顯。根據一進兩出的各種流道組合進行分析，具體排布如圖2所示。
圖2 短邊側一進兩出的各排列流道圖
為了便于綜合考慮最高溫度、溫差和壓差對電池模組的熱性能影響程度，采用期望函數fD進行綜合評估，選擇出最優的流道組合配置。最高溫度取值范圍為25～31 ℃，溫差的取值范圍為0～5 ℃，模組結構進出口壓差的取值范圍為0～2000 Pa。由此定義期望函數fD
式中：di為第i個因素的函數值；ri為第i個因素的重要性權值；此處最高溫度、溫差以及壓差權值比例設為1∶1∶1，計算出對應的期望函數值。仿真結果中，豎向和橫向流道尺寸固定為4 mm，在容易加工基礎上保證電池模組盡可能緊湊。計算情形如表2所示，并選取最大期望函數值對應的情形1為最優流道組合。與基準情形相比，最優流道組合下最高溫度增加了0.3%，但溫差減少了8.87%，壓差減少了66.5%。
表2 一進兩出的各流道排列組合的計算結果
1.4 ECM模型與實驗測試對比
數值仿真中18650圓柱形鋰離子電池發熱率由軟件內嵌的ECM模型計算獲得，此處通過校準量熱法進行實測校驗。通過20 ℃、30 ℃和40 ℃3個溫度下不同SOC的HPPC測試數據擬合得出ECM模型參數，SOC的范圍為0～1。如圖3顯示，在5 C放電倍率時，實測值與模擬值偏差最大為0.3585 W，相對偏差在8.3%。在工程應用中，ECM等效電路子模型可以很好地模擬電池的發熱情況。
圖3 ECM模型與實驗測量值結果對比
1.5 模組實驗裝置及測試系統
基于Case1內部流道組合，制備了新型液冷殼體結構進行真實電池模組實驗。殼體結構的尺寸參數如圖4(a)所示：結構材質為6061系鋁合金，進出口均在短邊側，進口管和出口管均向外延伸20 mm，尺寸分別為內徑6 mm、外徑10 mm和內徑4 mm、外徑8 mm的圓形流道，橫向流道為直徑4 mm的圓形流道，豎向流道高度為52 mm，直徑適當加大至6 mm以便于減小加工誤差。
圖4 新型液冷殼體電池模組結構圖： (a) 電池及熱電偶布置; (b) 模組俯視圖
實驗采用LG 18650鋰離子電池，直徑為18.3 mm，高度為65 mm，電池的標稱容量為2500 mAh，充電的上限截止電壓為4.25 V，放電的下限截止電壓為2.5 V，重量為47 g，允許的最大放電電流為30 A，電池的比熱容為1028 J/(kg·K)。實驗模組裝配時，在電池表面包裹鋁箔降低接觸熱阻的影響。電池5P4S連接，同一排電池正負極順序一致且相鄰兩排電池正負極反置。熱電偶安置在#1、#5、#9、#13和#17電池裸露在空氣的上部以測量電池最高溫度，并且在進口處#2電池裸露在空氣的下部也安置一個熱電偶以測量電池模組的最低溫度。為了降低熱電偶的監測誤差，將熱電偶測溫端錫焊在電池表面上。通過3D打印機打印尺寸為142.5 mm×118 mm×3 mm的塑料絕緣板，覆蓋在殼體結構的頂部和底部，防止鎳片與殼體結構接觸導致漏電短路。最后在新型液冷殼體結構表面包裹2層厚度為10 mm、導熱系數為0.02 W/(m·K)的氣凝膠，以減少熱損耗，如圖4(b)～4(d)所示。本實驗采用的8 mm×0.1 mm的連接鎳片，單片鎳片的電導率為12×106 S/m，所能承受的最大電流為15～20 A，這里將兩層鎳片疊加起來以提高匯流排的電流承載值。
本工作搭建了如圖5所示的電池模組液冷實驗系統，包括恒溫水浴箱、過濾器、渦輪流量計、充放電測試儀、差壓計和數據采集系統。通過實驗研究充放電速率和冷卻液的流量對電池模組的熱性能影響，具體步驟如下：
①通過調節實驗室空調系統將環境溫度控制在25 ℃左右，將恒溫水浴箱的溫度設置為環境溫度；
②開啟恒溫水浴箱使得冷卻液在系統中循環流動一段時間，檢查管路各連接處的密封性；
③設定環境溫度等工況，待系統中各熱電偶溫度監測點穩定時，開啟數據采集儀和充放電測試儀，記錄電池充放電過程中的溫度變化；
④改變工況重復步驟③，重復實驗3次以排除粗大誤差。
圖5 液冷實驗測試系統
2 結果與討論
本實驗研究電池模組分別在不同充放電倍率、不同流量和不同冷卻液溫度下電池溫度的變化，并測試熱蔓延抑制性能。在充放電倍率研究中，流體流量設為50 L/h(0.5 m/s)，實驗采取的放電方案為恒流放電，充電方案為恒流恒壓充電，先用恒定倍率的電流充電至電池的截止電壓再保持恒定電壓充電直至電流降至0.05 C。
2.1 不同充放電倍率的影響
18650電池模組在不同放電倍率下溫度隨放電時間的變化如圖6(a)～6(c)所示。從圖中可以看到，在所有放電倍率下，由于外側電池靠近出口流道如#1、#5、#9、#13和#17電池的溫度比靠近進口流道的中間電池溫度要高。另外，外側電池由于鎳片匯流產熱作用，串聯在#1和#2電池之間的匯流排導致#1和#2電池溫度處于最高，電池溫度從高到低依次為#1、#5、#9、#13和#17。由于鎳排較薄(0.2 mm)，且鎳和錫的電阻率分別是鋁的2.36和4倍，因此必須考慮鎳排的焦耳熱效應。本實驗中3 C放電倍率下電池模組的最高溫度為36.21 ℃，低于電池工作溫度的閾值，#2電池為30.73 ℃，代表模組最低溫度，電池模組溫差為5.48 ℃。同樣地，在充電情形下如圖6(d)～6(f)所示，3 C充電倍率下電池模組的最高溫度為34.1 ℃，低于同倍率下放電的最高溫度，#2電池為28.74 ℃，電池模組的溫差為5.36 ℃。由此可知新型液冷殼體結構在電池充放電過程中有很好的散熱性能和均溫性能。
圖6 不同充放倍率下電池模組溫度隨充電時間的變化
為了弄清鎳片厚度對電池模組的溫度影響，針對0.2 mm、0.6 mm、1 mm厚度鎳片進行了高倍率(3 C)數值仿真，溫度云圖見圖7。可以看到，鎳片的厚度越厚，對應的溫度越低，這是由于厚度大的鎳片電阻小、發熱率低。對應于鎳片厚度0.2 mm、0.6 mm與1 mm，電池模組的最高溫度為36.25 ℃、34.8 ℃與33.91 ℃，這時鎳片最高溫度也由44.06 ℃降至34.1 ℃，如圖7熱點所示，由此可知采用較大厚度鎳排具有更好的電池溫控性能。
圖7 不同鎳片厚度下電池模組仿真溫度云圖
2.2 不同液冷流量的影響
電池模組的溫度、溫差和進出口壓差隨冷卻液流量的變化如圖8所示，實驗中電池的放電速率為3 C，流速依次設置為0.2 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s和1.0 m/s。由圖可以看出3 C放電倍率下，不同流量下電池模組的溫度變化趨勢相同，隨著流速的增加，電池模組的最高溫度逐漸減小，但溫差變化不明顯。另一方面，進出口的壓差隨流速快速增大，泵的功耗也會隨之增加。因此采用小流量即可滿足溫控需求也能降低泵機功耗。
圖8 不同流量下電池模組溫度隨放電時間的變化
2.3 不同冷卻液進口溫度的影響
為研究冷卻液溫度對電池模組性能影響，實驗中電池的放電速率為3 C，流量設為50 L/h(0.5 m/s)，冷卻液溫度設置為10 ℃和25 ℃。圖9顯示了低溫和常溫下電池溫度變化曲線，可以看出不同冷卻液溫度下電池模組的溫度變化趨勢類似，隨著入口冷卻液溫度的增加，電池模組的最高溫度增加幅度相同，但電池放電時間和能量效率逐步增加，10 ℃和25 ℃能量效率分別為88.50%與95.31%。因此采用常溫25 ℃的冷卻液有助于提升電池模組放電時間和能量效率。
圖9 不同冷卻液溫度下電池模組溫度隨放電時間的變化
2.4 熱蔓延抑制實驗
為了研究新型液冷殼體在熱失控情況下的熱蔓延特性，在模組中間位置#14電池采用模擬加熱器電池充當熱失控電池，進口流速設為0.5 m/s。這與文獻采用加熱器加熱電池來研究熱失控蔓延方法類似。當系統處于穩定狀態時，將#14電池加熱器的功率調至最大值600 W來模擬局部熱失控，對相鄰的#9、#13、#17、#10、#18、#11、#15和#19電池進行溫度監測，監測的最高溫度變化如圖10所示，相鄰電池中溫度最高的電池為#13電池，達到57.36 ℃，遠遠低于Jhu等實驗確定的電池熱失控溫度142.5 ℃，表明目前液冷結構可以有效抑制熱失控蔓延。
圖10 #14電池熱失控時其余相鄰電池的最高溫度
3 結論
本工作研究一種新型液冷殼體結構的電池模組，模組由4×5顆電池和殼體結構組成。通過數值仿真研究進行了流道排布優化設計，并進行不同條件下電池模組熱性能與抑制熱蔓延的實驗研究，所獲結論如下。
（1）研究了基準情形與6種流道結構排布的熱性能，以最高溫度、溫差以及壓差為評價指標建立期望函數計算得出最優的流道組合情形1，在保證最高溫度和溫差較小的前提下，情形1的壓差降低66.5%。
（2）電池模組的最高溫度隨放電倍率或充電倍率的增加而增加，同等倍率下放電溫度比充電溫度高，且放電倍率越大匯流排發熱影響程度越大，由溫度云圖也可清晰地看出鎳片溫度分布，盡量使用厚度較大、電阻較小的匯流排，使得液冷殼體結構具有更好的散熱和均溫性能。
（3）冷卻液進口溫度過低會導致電池放電時間變短，能量效率變低，故此冷卻液應保持在常溫以提升電池放電效率。
（4）當電池模組中間位置的電池突發熱失控或異常高產熱情況，相鄰電池的溫度遠遠低于熱失控電池溫度，不會發生熱失控蔓延情況，新型散熱結構有良好的熱蔓延抑制作用。
來源：儲能科學與技術
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本文標題：基于液冷電池模組的結構優化與熱蔓延抑制
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