电动汽车锂离子电池组件高效热性能液冷板的时间精确CFD分析

摘要

高效的热管理系统 (TMS) 对于汽车锂离子电池模块 (BM) 的卓越性能至关重要。液冷 TMS 由流经冷板的冷却剂组成，与被动或强制风冷 TMS 相比，提供更高的热传递速率，从而允许电池以激进的速率和更高的环境温度充电/放电，同时保持电池温度在最佳范围内。在当前的研究中，我们使用圆柱 21700 锂离子电池的可变热负荷的三维、时间精确 CFD 模拟，研究了各种冷板通道尺寸和配置对液冷 BM 整体热性能的影响。具体来说，我们通过改变冷却剂通道的尺寸和流动路径来考虑 8 种不同的冷板设计。对于所有冷板设计，我们评估平均和最高电池温度，以及模块放电速率为 1C 时的传热速率。此外，还计算了整个冷板的冷却剂压降，这有助于提供有关 TMS 能效的信息。

简介

随着电动汽车 (EV) 的普及，其性能优于其内燃机同类产品，因此需要更高能量密度的锂离子电池组，能够维持高功率放电并能够快速充电，同时达到高安全标准。因此，高效且最佳的热管理系统 (TMS) 对于防止电池过热至关重要，这反过来又可能导致电池加速退化（容量衰减和阻抗上升）或热失控等不安全事件。此外，设计良好的 TMS 对于更广泛地采用 EV 是必要的，特别是在非常炎热或非常寒冷的气候条件下，同时在车辆运行期间将电池温度保持在最佳范围内。

在过去十年中，已经提出了几种 TMS 策略来降低电池模块中的峰值电池温度。这些方法包括对流空气冷却、液体冷却、使用热管的两相蒸汽冷却、相变材料 (PCM) 或这些方法的组合。由于其高导热性，已知液体冷却系统在消散 EV 电池模块内的电池产生的高热量方面最为有效。因此，在这项工作中，我们将注意力集中在基于冷板的间接液体冷却系统上。

冷板是具有高导热性的薄金属结构，具有用于冷却剂流动的内部通道的装置。由电池产生的热量通过固体金属冷板间接地消散到冷却剂。因此，设计合适的通道几何形状，以提高这种系统的冷却效率，并降低整体功耗是很重要的。多年来，人们提出了各种冷板设计方案，如蛇形通道、多直微通道等。尽管这些研究大多采用不同的电池类型——棱柱形、袋形或圆柱形——但它们大多限于低功率密度和每个模块的电池数量较少。近年来,出现了一个巨大的汽车社区的兴趣更高的功率密度圆柱形细胞(如21700)的形式由于其易于制造和部分由于其有效性在减少总重量和大小的电池模块。然而，这种圆柱形电池的根本挑战在于开发安全、高效、经济的冷板的需要。

因此，在这项工作中，我们努力使用可靠且稳健的数值方法对冷板的不同设计进行详细分析，并展示它们在由高功率密度 21700 圆柱形锂离子电池组成的电池模块内的热和流体动力学性能。此处特别强调数值求解器模拟锂离子电池模块实际运行的能力，其中由于电池内部电阻 (DCIR) 产生的不可逆焦耳热随充电状态而变化（SOC）。以 1C 的放电速率对电池模块进行分析，这意味着模块中的所有 576 个电池在 1 小时内耗尽其可用功率。为此，我们进行了参数研究，通过对跨板的冷却剂压降、传热率、最高电池温度和模块中不同电池的温度均匀性进行数值计算来评估液体冷板的性能。该研究有助于为使用精确的三维时间精确数值模拟设计液体冷板提供优化途径。

模型描述

我们从一个基本壳体几何结构开始参数化设计研究，该几何结构由一个铝冷板和10个内部直矩形冷却液(乙二醇-水混合)通道组成，这些通道的横截面积为Ac。为了保持冷却液在所有通道上的均匀流动，我们使用一个在板的一端有两个入口的分配歧管和一个在另一端有两个出口的集合歧管(图1)。总的来说，冷板由两个独立的冷却剂组成，每个入口/出口端口连接到5个通道。共有576个形状因子为21700的圆柱形锂离子电池直接粘附在冷板的顶部(图2)。

图1带有10个内部冷却液通道的基础液体冷板的顶部截面示意图

图2 液冷电池模块示意图(576圆柱形21700锂离子电池，直接附着在冷板的顶部)

本研究的目的是通过使用基本案例设计作为参考执行两组参数 CFD 模拟来评估液体冷板的热性能。具体来说，我们改变了以下设计参数，同时保持冷板的整体尺寸、通道总数以及歧管和入口/出口端口的尺寸(表1)：

a.冷却液通道的液压直径(hd):我们考虑了5种不同的通道尺寸，从基础尺寸开始，逐步减少通道的高度和宽度。本文研究的水力直径范围在0.45-4.56之间;

b.冷却液通道的配置:我们考虑对基础配置的3种不同变化，包括(i)单通道蛇形，(ii)双通道蛇形，和(iii)双三通道(2-3-3-2)蛇形。每一个这些配置提供了不同长度的冷却剂流动路径与冷板。

表1参数化设计的几何细节研究

对于本研究中的所有数值模拟，我们使用通用有限体积 CFD 求解器 STAR-CCM+。它利用 MPI 并行化来进行共享和分布式内存计算，从而能够使用大网格尺寸。数值方法基于并置的网格排列，其中所有流量变量都存储在单元中心。空间和时间离散化分别使用二阶迎风格式和一阶隐式方法执行。动量方程的对流项和扩散项在使用简单型算法和 Rhie-Chow 插值法对面通量进行离散化。液冷电池模块不同材料区域之间的相互作用是通过使用共轭传热模型和基于雷诺平均纳维-斯托克斯 (RANS) 的可实现 k-ε湍流模型来实现的。每个数值模拟的总物理时间为 3600 秒，使用范围从 0.1 到 1 秒的可变计算时间步长。在整个模拟过程中，确保每个时间步的整体解收敛在 0.05% 以内。为所有固体材料区域和环境空气提供了 30 °C 的初始温度。但是，初始和入口冷却剂温度均保持在 25 °C。使用恒定速度分布（“塞子”剖面）规定了 1.3 LPM 的入口冷却剂流量（在具有两个入口的设计情况下，每个入口为 0.65 LPM），并且冷却剂中的平均剪切由无滑移边界条件设置在冷却剂壁上。冷却剂出口由恒压边界条件表示。5 W/m2 K 的传热系数施加在环境空气区域的所有外表面。估算电池准确发热的最大问题之一在于电池的 DCIR 在很大程度上取决于 SOC、温度和充电/放电率。因此，为了对冷板进行准确的真实世界模拟，我们根据电池从 100% 的 SOC 变为 1C 放电速率的典型 DCIR 曲线的修改版本，包括了发热的瞬态行为（图 3）在 1 小时内降至 0%，我们计划在未来的工作中包括温度对电池 DCIR 的影响。

图321700型圆柱形锂离子电池产生的焦耳热随时间的函数

为了生成由5个材料区域组成的液冷电池模块的当前几何形状的网格，我们使用 STAR-CCM+ 中的内置生成器。特别是，我们在求解控制方程的流体和固体区域中生成多面体网格。在所有流体区域，即冷却剂和环境空气中，边界层通过6个点的精细网格完全解析（y+ = uy/v<1，其中u是摩擦速度；y+是壁法线距离）。这导致总网格大小约为1100万个单元。

为了确保数值计算的准确性，我们根据网格收敛性研究选择了网格尺寸。这些研究是使用一系列尺寸以逐渐提高的精确度（表2）和基于每个后续网格的冷却剂传热系数计算网格收敛指数(GCI)[16]进行的。最终将对应于 GCI小于3%（中网格）的网格尺寸用于所有后续冷板设计迭代的数值模拟（图4）。

表2基础液体冷板设计案例无关性网格数量

图4不同网格尺寸下冷却剂平均换热系数的变化

结果与讨论

1.冷却通道尺寸的影响

在本节中，我们使用上述后处理指标分析了冷板冷却剂通道的水力直径对热和流动性能的影响。在所有设计迭代中，包括电池散热在内的边界和体积条件在数值模拟中保持不变。

图5 锂离子电池在1C放电速率下完全放电后冷却剂速度的等高线。结果绘制在不同通道尺寸的垂直中间横截面平面上，(a)基本情况，(b)情况1，(c)情况2，(d)情况3，(e)情况4

图5说明了5种不同冷板中垂直平面截面处冷却剂速度大小的空间分布比较。正如预期的那样，由于质量守恒，冷却剂速度随着通道水力直径的减小而增加。事实上，对于极端设计案例4，在最低通道尺寸hd=0.45 mm时，高冷却剂速度甚至导致在收集歧管处形成强射流和再循环区。总的来说，对于所有计算的设计，10个通道的速度分布是相同的，表明入口歧管的流量平衡非常好。

图6整个冷板的总压降作为内部流动通道的水力直径的函数

整个电池模块的压降很大程度上取决于几何参数，尤其是冷却通道的水力直径。图6中报告了通道内冷却剂的总压降。此处计算的值是入口和出口面之间的平均静压差。从图中可以明显看出，随着通道尺寸的减小，压降以指数为-3.7的幂律趋势增加。尽管在所有考虑的情况下通道中的流速不同，但入口速度相同，因为通过两个入口进入冷板的组合质量流量保持恒定在1.3 LPM。

图7对于基本情况和情况1至4，平均传热系数可作为通道水力直径的函数

冷却剂的HTC相对于hd的变化如图7所示。从图中可以明显看出，传热系数与通道尺寸成反比。虽然与设计案例4对应的HTC最高，但通过冷板超过100 PSI的压降使其不适用于汽车应用。尽管如此，结果还是很有启发性的，因为它提供了确定HTC缩放行为所需的信息。

图8基本情况和情况1至4的最大电池温度的时间变化

图9基本案例和案例1至案例4中作为通道水力直径函数的点池温度均匀性

图8和图9分别通过Tcell_max的时间演化和温度均匀性 Tu的指标展示了所有5种不同冷板之间的比较。总体而言，最高温度在电池放电期间持续升高，但由于较低SOC下较高的DCIR，最终以较快的速率升高（见图3）。正确捕捉最高温度的这种增加至关重要，并且只能使用时间精确的模拟来完成，这可以确保每个时间步的收敛。从图中的结果。从图8和图9可以看出，通道水力直径对电池最高温度（10℃以内）和温度均匀性没有显著影响。我们认为这是因为随着每次后续设计迭代，随着通道变窄，铝冷板体积会增加以保持电池模块的整体尺寸。这种情况为冷板提供了足够的总热质量来消散电池产生的所有热量。

2.冷却通道装置的影响

在本节中，我们分析了冷板的冷却通道配置对热性能和流动性能的影响。具体来说，我们将注意力集中在冷板内流路方向的影响上。如前所述，我们在这里考虑基本配置的3种不同变体，(i)单通道蛇形（案例5），（ii）双通道蛇形（案例6）和（iii）双三通道（2-3-3-2) 蛇形（案例7）。

图10锂离子电池以 1C 放电速率完全放电后冷却剂速度大小的轮廓。结果绘制在不同通道形状的垂直中间横截面平面上，(a) 基本案例，(b) 案例 5，(c) 案例 6，(d) 案例 7。

图10说明了不同冷板配置的中垂直截面冷却剂速度大小的空间分布比较。可以观察到，对于直通道配置，冷却剂速度较低，因为来自每个入口的流量通过歧管分配到5个通道。另一方面，对于单个蛇形管（案例5），可以观察到最高流速，因为来自入口的所有冷却剂都流过覆盖整个板的一个可用内部通道。

图11基本案例和案例 5 到 7 的冷板总压降

图12 平均传热系数作为基本案例和案例 5 至 7 的通道水力直径的函数

图 11 报告了不同通道配置的冷却剂流的总压降。来自 Maharudrayya 等人的工作。关于燃料电池的冷却，众所周知，冷板通道90度弯曲处的压力损失会显著影响总压力损失，尤其是在高流速下。对于具有9个180°弯头和高通道流速的配置5，发现压降比基本配置高50倍以上。案例6和7的压降趋势相似，配置分别具有4和3个180°弯头。然而，由于流速较低，与基本配置相比，案例6和案例7的压降差异仅高出约10-15倍。不同冷板配置的冷却剂平均HTC的变化如图12所示。正如预期的那样，对于单一蛇形配置（案例5）观察到最高 HTC。另一方面，在案例7中观察到最低的HTC，因为当流量从具有两个通道的部分通过180°弯重新分配到具有三个通道的部分时，冷却剂通道之间存在较大的流量不平衡。

图13通过对基本案例和案例5至案例7的数值模拟观察到的最大电池温度的时间变化

图14不同冷板配置的电池温度均匀性

图13和14分别说明了4种不同冷板配置的Tcell_max和温度均匀性Tu的时间演变。所有冷板的最大电池温度和温度均匀性变化几乎相同，由于平均HTC值较高，蛇形结构的最大电池温度略低。从换热器设计可知，由于流动分布更好，蛇形通道配置通常导致比平行通道更均匀的温度分布。然而，通过我们基础几何形状的优化设计，所有平行通道的流量分布相同，从而实现了卓越的热性能。此外，单一蛇形配置的最高温度的小幅下降可能不证明其使用是合理的，因为与之相关的压降显著更高（图 10）。

结论

我们使用 3D 时间精确数值模拟进行了参数研究，以分析冷却剂通道尺寸和通道配置对具有 576 个 21700 形状因子的圆柱形锂离子电池的液体冷板的热性能的影响。具体来说，我们讨论了八种不同液体冷板的详细几何设计、CFD 模拟和分析。观察到以下结果：

a.液体冷却电池模块上的冷却剂压力随通道水力直径的变化提供了幂律缩放指数 -3.7。

b.冷却剂传热系数随通道水力直径的变化提供了幂律比例指数-1。

c.随着通道水力直径的变化，整个电池模块的最高电池温度和电池温度均匀性保持相对不受影响。

d.从所有的计算中可以看出，对于给定的整体尺寸、流动路径长度、入口/出口端口的尺寸和固定的冷却剂流量，液体冷板的真实性能取决于压降和 HTC。

尽管模拟结果显示基于热指标的所有冷板的性能几乎相同，但基于整体压降的基础冷板设计优于所有其他设计。因此，优化液体冷板涉及性能指标的组合，例如电池温度变化、冷却剂压降和电池温度。总体而言，这项研究提供了一种稳健的数值方法，可通过将电池的实际瞬态热量作为其充电状态 (SOC) 的函数来测试任何未来用于高能量密度锂离子电池模块的液体冷板设计迭代）。

文章来源：Pulugundla, G., Dubey, P., and Srouji, A., “Time-Accurate CFD Analysis of Liquid Cold Plates for Efficient ThermalPerformance of Electric Vehicle Li-Ion Battery Modules,” SAE Technical Paper 2019-01-0500, 2019, doi:10.4271/2019-01-0500.

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标签： 水力直径 锂离子电池 数值模拟