基于液冷电池模组的结构优化与热蔓延抑制

作者:兰洋科技    浏览量:4426    时间:2023年12月25日    标签: 电池散热 锂离子电池 液体冷却

摘要

本工作通过数值仿真研究了一种新型液冷壳体结构的电池模组热性能,并通过实验测量验证液冷壳体结构的散热和热蔓延抑制特性。模组由4×5颗圆柱电池和液冷壳体组成,壳体内部设计流道提供液冷散热。仿真模型通过建立电池模组的等效电路子模型(ECM)模拟电池产热,研究壳体内部流道排布对热性能影响,以电池模组最高温度、最大温差和进出口压降作为性能评价指标,并引入期望函数以获得优化的壳体流道排布。基于优化的流道组合制备了一进两出的液冷壳体,组装三元18650真实电池模组进行热性能实验研究。研究发现:一进两出结构的热性能优于一进一出结构,3 C放电速率和1 m/s入口流速下与基准案例相比,最优情形1(短边侧一进两出流道排布)的最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。真实电池模组实验中充放电倍率越大,电池温度越高,汇流排焦耳效应影响越大。降低冷却液温度会导致放电时间变短、电池模组能量效率下降。最后采用高功率电池产热模型模拟热失控,实验发现在热失控功率600 W下相邻电池温度在57.4 ℃,不会发生热失控与热蔓延,即新型液冷壳体兼具散热、均温和热蔓延抑制作用。

新能源汽车是我国的重点产业发展方向,是实现双碳目标的重要举措。锂离子电池因其能量密度较高、使用寿命较长、自放电速率较低而在电动汽车中广泛使用,逐渐成为新能源汽车的理想电源。然而锂离子电池仍面临热管理与热安全问题,锂电池在充放电时因内阻产热会使电池温度升高,在高倍率情况下产热更为显著,如果缺乏热管理或者热管理不当可能引发热失控,并且单体热失控会进一步蔓延导致整个电池包的热失控。因此设计合理的电池热管理系统(BTMS)对稳定电池模组温度、抑制电池热失控与热蔓延具有重要意义。

目前电池热管理方式包括空气冷却液体冷却和相变冷却等。空气冷却具有结构简单、容易实现、成本较低的优点,能够满足低功率小型汽车热管理需求。但是空气导热系数低、沿程加热效应明显,难以满足长续航大功率电池包的热管理要求。相变冷却是利用PCM的潜热对电池进行被动冷却,不需要额外的能量消耗,但缺点是导热系数低,完全熔化后散热作用基本丧失。相比而言,液体冷却具有更好的换热性能。Lai等]提出了用于圆柱电池模组冷却的并联曲面液冷结构,并讨论了质量流量、内径、接触高度和接触面角度对其热管理性能的影响。Zhao等在圆柱电池表面布置蛇形通道对其电池模组冷却,在5 C放电倍率下获得良好的均温性能。Zhong等在3×3模组热失控蔓延实验中使用与电池尺寸一致的加热装置模拟热失控电池,在辐射功率200 W下热失控电池表面温度达到750 ℃,与18650电池热失控最高温度相近,发现增大间隙可以改善电池冷却条件、抑制热失控传播。Wang等选取了8个NCM811型18650锂离子电池模组、功率300 W的加热器用于测试触发相邻电池,研究不同电池间距和触发温度等对热失控传播的影响,增加热失控触发温度和电池间距可以降低热蔓延的风险。

从文献调研可以看出,对圆柱电池热管理和电池热失控抑制已取得一定进展,但同时研究热管理和电池热失控模组耦合设计较少。另外,电池之间汇流排连接存在导热与发热效应,对电池温度会产生影响,但相应报道不多。本工作研究一种基于新型液冷壳体结构的电池模组,模组由4×5颗圆柱电池和壳体结构组成。首先建立等效电路子模型(ECM)通过数值仿真对壳体结构进行研究,以最高温度、温差和进出口压降作为性能评价指标,引入期望函数求解计算获得较优的流道排布。并根据优化结构搭建了真实电池模组实验平台,进行不同充放电倍率、流量条件下热性能的实验研究,最后采用模拟电池作为异常产热的热失控电池,实验验证了新型液冷壳体结构的热蔓延抑制功能。

1 数值模型与实验研究

1.1 新型电池模组液冷壳体模型

本工作提出一种新型液冷壳体典型结构,如图1所示。液冷壳体设置4×5个直径为18.5 mm的通孔以放置18650锂离子电池,电池之间内置多个横向与竖向流道,除了中间两排电池通孔距离扩大为28.5 mm便于设置进口,其余电池通孔之间的中心距为26.5 mm,位于角落电池通孔距离外侧面18.25 mm。为了增强换热,在结构的侧面开有流体的进口和出口,截面尺寸均为4 mm,结构内部有相通的各支路流道,流道截面尺寸均为4 mm,竖向流道的高度为52 mm,壳体整体尺寸为142.5 mm×118 mm×59 mm。进口和出口均设置了汇流槽结构,汇流槽有分流和降低压差的作用,同时减轻了散热结构的质量。

图1   新型液冷壳体电池模组示意图:(a) 电池模组的整体结构;(b) 电池模组三维数值模型;(c) 电池模组俯视图1—汇流排;2—电池单体;3—横向流道;4—竖向流道;5—汇流槽;6—液冷壳体;7—进口;8—出口

1.2 模型边界条件设定及网格独立性验证

通过ANSYS 2022R2中等效电路子模型(ECM)对电池模组进行热仿真分析,进行以下假设:

①所有材料的热物性参数均为常物性,不随温度变化;

②只考虑电池顶部与底部和环境自然对流,壳体结构的四周侧面均设置为绝热条件;

③电池其余表面与液冷壳体结构之间进行导热,忽略电池与结构之间的接触热阻;

④冷却液(水)为不可压缩的牛顿流体,热物性设为常温值。数值模型设定的新型液冷壳体结构中各部件的详细热物性参数如表1所示。

模型的边界条件设置为:环境温度为25 ℃,电池顶部和底部与环境的对流换热系数均设为5 W/(m2∙K),进口冷却液温度为25 ℃,出口的相对压力为零,电池3 C放电倍率,进口的流速固定为1 m/s。为了便于网格划分和数值计算,在研究最佳流道组合时,采用相同水力直径的方形流道。

表1   模拟所用材料的热物理性质

在进行结构数值仿真前,首先对数值仿真模型进行了网格独立性验证。对比的网格数量包括709875、942150、1303645、1702364以及2259827,结果表明随着网格数量的增加,电池模组的温度趋于平稳。计算网格数量从1303645增至2259827时,电池模组的最高温度和温差变化很小,相对偏差分别为0.20%和0.43%,平衡计算时间与精度,本工作采用1303645的网格数量模型。

1.3 最佳流道组合的选取

本节研究液冷壳体进出口的位置及数量对电池模组的热性能影响。进出口位置及数量分为3种情况:

①进口和出口的位置在相对的长边侧,即一进一出(对应图2基准情形);

②一个进口和两个出口的位置均位于短边侧,其中进口位于短边的中间位置,形成一进两出对称结构。

数值仿真结果显示一进一出布置的压差远大于一进两出布置,而最高温度和最大温差差别不明显。根据一进两出的各种流道组合进行分析,具体排布如图2所示。

图2   短边侧一进两出的各排列流道图

为了便于综合考虑最高温度、温差和压差对电池模组的热性能影响程度,采用期望函数fD进行综合评估,选择出最优的流道组合配置。最高温度取值范围为25~31 ℃,温差的取值范围为0~5 ℃,模组结构进出口压差的取值范围为0~2000 Pa。由此定义期望函数fD

式中:di为第i个因素的函数值;ri为第i个因素的重要性权值;此处最高温度、温差以及压差权值比例设为1∶1∶1,计算出对应的期望函数值。仿真结果中,竖向和横向流道尺寸固定为4 mm,在容易加工基础上保证电池模组尽可能紧凑。计算情形如表2所示,并选取最大期望函数值对应的情形1为最优流道组合。与基准情形相比,最优流道组合下最高温度增加了0.3%,但温差减少了8.87%,压差减少了66.5%。

表2   一进两出的各流道排列组合的计算结果

1.4 ECM模型与实验测试对比

数值仿真中18650圆柱形锂离子电池发热率由软件内嵌的ECM模型计算获得,此处通过校准量热法进行实测校验。通过20 ℃、30 ℃和40 ℃3个温度下不同SOC的HPPC测试数据拟合得出ECM模型参数,SOC的范围为0~1。如图3显示,在5 C放电倍率时,实测值与模拟值偏差最大为0.3585 W,相对偏差在8.3%。在工程应用中,ECM等效电路子模型可以很好地模拟电池的发热情况。

图3   ECM模型与实验测量值结果对比

1.5 模组实验装置及测试系统

基于Case1内部流道组合,制备了新型液冷壳体结构进行真实电池模组实验。壳体结构的尺寸参数如图4(a)所示:结构材质为6061系铝合金,进出口均在短边侧,进口管和出口管均向外延伸20 mm,尺寸分别为内径6 mm、外径10 mm和内径4 mm、外径8 mm的圆形流道,横向流道为直径4 mm的圆形流道,竖向流道高度为52 mm,直径适当加大至6 mm以便于减小加工误差。

图4   新型液冷壳体电池模组结构图: (a) 电池及热电偶布置; (b) 模组俯视图

实验采用LG 18650锂离子电池,直径为18.3 mm,高度为65 mm,电池的标称容量为2500 mAh,充电的上限截止电压为4.25 V,放电的下限截止电压为2.5 V,重量为47 g,允许的最大放电电流为30 A,电池的比热容为1028 J/(kg·K)。实验模组装配时,在电池表面包裹铝箔降低接触热阻的影响。电池5P4S连接,同一排电池正负极顺序一致且相邻两排电池正负极反置。热电偶安置在#1、#5、#9、#13和#17电池裸露在空气的上部以测量电池最高温度,并且在进口处#2电池裸露在空气的下部也安置一个热电偶以测量电池模组的最低温度。为了降低热电偶的监测误差,将热电偶测温端锡焊在电池表面上。通过3D打印机打印尺寸为142.5 mm×118 mm×3 mm的塑料绝缘板,覆盖在壳体结构的顶部和底部,防止镍片与壳体结构接触导致漏电短路。最后在新型液冷壳体结构表面包裹2层厚度为10 mm、导热系数为0.02 W/(m·K)的气凝胶,以减少热损耗,如图4(b)~4(d)所示。本实验采用的8 mm×0.1 mm的连接镍片,单片镍片的电导率为12×106 S/m,所能承受的最大电流为15~20 A,这里将两层镍片叠加起来以提高汇流排的电流承载值。

本工作搭建了如图5所示的电池模组液冷实验系统,包括恒温水浴箱、过滤器、涡轮流量计、充放电测试仪、差压计和数据采集系统。通过实验研究充放电速率和冷却液的流量对电池模组的热性能影响,具体步骤如下:

①通过调节实验室空调系统将环境温度控制在25 ℃左右,将恒温水浴箱的温度设置为环境温度;

②开启恒温水浴箱使得冷却液在系统中循环流动一段时间,检查管路各连接处的密封性;

③设定环境温度等工况,待系统中各热电偶温度监测点稳定时,开启数据采集仪和充放电测试仪,记录电池充放电过程中的温度变化;

④改变工况重复步骤③,重复实验3次以排除粗大误差。

图5   液冷实验测试系统

2 结果与讨论

本实验研究电池模组分别在不同充放电倍率、不同流量和不同冷却液温度下电池温度的变化,并测试热蔓延抑制性能。在充放电倍率研究中,流体流量设为50 L/h(0.5 m/s),实验采取的放电方案为恒流放电,充电方案为恒流恒压充电,先用恒定倍率的电流充电至电池的截止电压再保持恒定电压充电直至电流降至0.05 C。

2.1 不同充放电倍率的影响

18650电池模组在不同放电倍率下温度随放电时间的变化如图6(a)~6(c)所示。从图中可以看到,在所有放电倍率下,由于外侧电池靠近出口流道如#1、#5、#9、#13和#17电池的温度比靠近进口流道的中间电池温度要高。另外,外侧电池由于镍片汇流产热作用,串联在#1和#2电池之间的汇流排导致#1和#2电池温度处于最高,电池温度从高到低依次为#1、#5、#9、#13和#17。由于镍排较薄(0.2 mm),且镍和锡的电阻率分别是铝的2.36和4倍,因此必须考虑镍排的焦耳热效应。本实验中3 C放电倍率下电池模组的最高温度为36.21 ℃,低于电池工作温度的阈值,#2电池为30.73 ℃,代表模组最低温度,电池模组温差为5.48 ℃。同样地,在充电情形下如图6(d)~6(f)所示,3 C充电倍率下电池模组的最高温度为34.1 ℃,低于同倍率下放电的最高温度,#2电池为28.74 ℃,电池模组的温差为5.36 ℃。由此可知新型液冷壳体结构在电池充放电过程中有很好的散热性能和均温性能。

图6   不同充放倍率下电池模组温度随充电时间的变化

为了弄清镍片厚度对电池模组的温度影响,针对0.2 mm、0.6 mm、1 mm厚度镍片进行了高倍率(3 C)数值仿真,温度云图见图7。可以看到,镍片的厚度越厚,对应的温度越低,这是由于厚度大的镍片电阻小、发热率低。对应于镍片厚度0.2 mm、0.6 mm与1 mm,电池模组的最高温度为36.25 ℃、34.8 ℃与33.91 ℃,这时镍片最高温度也由44.06 ℃降至34.1 ℃,如图7热点所示,由此可知采用较大厚度镍排具有更好的电池温控性能。

图7   不同镍片厚度下电池模组仿真温度云图

2.2 不同液冷流量的影响

电池模组的温度、温差和进出口压差随冷却液流量的变化如图8所示,实验中电池的放电速率为3 C,流速依次设置为0.2 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.7 m/s和1.0 m/s。由图可以看出3 C放电倍率下,不同流量下电池模组的温度变化趋势相同,随着流速的增加,电池模组的最高温度逐渐减小,但温差变化不明显。另一方面,进出口的压差随流速快速增大,泵的功耗也会随之增加。因此采用小流量即可满足温控需求也能降低泵机功耗。

图8   不同流量下电池模组温度随放电时间的变化

2.3 不同冷却液进口温度的影响

为研究冷却液温度对电池模组性能影响,实验中电池的放电速率为3 C,流量设为50 L/h(0.5 m/s),冷却液温度设置为10 ℃和25 ℃。图9显示了低温和常温下电池温度变化曲线,可以看出不同冷却液温度下电池模组的温度变化趋势类似,随着入口冷却液温度的增加,电池模组的最高温度增加幅度相同,但电池放电时间和能量效率逐步增加,10 ℃和25 ℃能量效率分别为88.50%与95.31%。因此采用常温25 ℃的冷却液有助于提升电池模组放电时间和能量效率。

图9   不同冷却液温度下电池模组温度随放电时间的变化

2.4 热蔓延抑制实验

为了研究新型液冷壳体在热失控情况下的热蔓延特性,在模组中间位置#14电池采用模拟加热器电池充当热失控电池,进口流速设为0.5 m/s。这与文献采用加热器加热电池来研究热失控蔓延方法类似。当系统处于稳定状态时,将#14电池加热器的功率调至最大值600 W来模拟局部热失控,对相邻的#9、#13、#17、#10、#18、#11、#15和#19电池进行温度监测,监测的最高温度变化如图10所示,相邻电池中温度最高的电池为#13电池,达到57.36 ℃,远远低于Jhu等实验确定的电池热失控温度142.5 ℃,表明目前液冷结构可以有效抑制热失控蔓延。

图10   #14电池热失控时其余相邻电池的最高温度

3 结论

本工作研究一种新型液冷壳体结构的电池模组,模组由4×5颗电池和壳体结构组成。通过数值仿真研究进行了流道排布优化设计,并进行不同条件下电池模组热性能与抑制热蔓延的实验研究,所获结论如下。

(1)研究了基准情形与6种流道结构排布的热性能,以最高温度、温差以及压差为评价指标建立期望函数计算得出最优的流道组合情形1,在保证最高温度和温差较小的前提下,情形1的压差降低66.5%。

(2)电池模组的最高温度随放电倍率或充电倍率的增加而增加,同等倍率下放电温度比充电温度高,且放电倍率越大汇流排发热影响程度越大,由温度云图也可清晰地看出镍片温度分布,尽量使用厚度较大、电阻较小的汇流排,使得液冷壳体结构具有更好的散热和均温性能。

(3)冷却液进口温度过低会导致电池放电时间变短,能量效率变低,故此冷却液应保持在常温以提升电池放电效率。

(4)当电池模组中间位置的电池突发热失控或异常高产热情况,相邻电池的温度远远低于热失控电池温度,不会发生热失控蔓延情况,新型散热结构有良好的热蔓延抑制作用。


来源:储能科学与技术

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