散热能力，动力电池快速充电的照门

本文共8500字，预计22分钟读完。

这两天保时捷新车Mission E的新闻轰炸了朋友圈，传说15分钟充电80%，续航400公里，最想知道的是到底这是什么电池啊。大倍率充电，除了电池本身功率性能够，再就是看系统散热是不是跟得上。没有更多信息，聊不起保时捷，就想翻译一篇热管理吧。

这是一篇的热管理仿真+实验对照的论文，可以了解一下，对于动力电池散热，主要都受到哪些因素的制约。如果并不想了解热管理相关仿真和实验的细节，只阅读“概述”部分即可。英文标题《Thermal design and simulation of mini-channel cold plate for water cooled large sized prismatic lithium-ion battery》，作者S. Panchal 等，2017年发表在《Applied Thermal Engineering》上。

概述

本文使用实验和数值技术对置于方形锂离子电池电芯上的微通道冷板内冷却液的温度和速度分布进行了比较研究。该研究是针对1C和2C放电速率和5 ℃，15 ℃和25℃的不同工作温度下的水冷方法进行的。总共19个热电偶用于该实验工作，并被有目的地放置在不同的地点。十九个温度传感器中，十个T型热电偶被放置在电池的主表面上，使用四个K型热电偶测量进水和出水温度。在计算上，使用了ANSYS Fluent中的k- e模型以模拟微通道冷却板中的流动，并且使用温度曲线的实验数据进行验证。

获得的基本结论如下：本文使用实验和数值（使用ANSYS-RANS方法）技术，对置于方形锂离子电池电芯上的微通道冷板内的温度和速度分布进行了比较研究用于1C和2C放电速率和5℃，15℃和25℃不同工作温度下的水冷方法。然后说明如下几点结论：（i）电池微通道水冷板内部温差随着C率的增加而增加; （ii）增加放电率（在1C和2C之间）电池表面的十个温度传感器位置的温度都上升; （iii）最靠近电极的热电偶传感器提供比中心热电偶更高的温度。

1 介绍

为了缓解环境问题，汽车行业被迫转向可持续发展汽车，如电动汽车（EV），混合动力电动汽车（HEV），插电式混合动力电动汽车

（PHEV）和燃料电池汽车（FCV） ）。目前，锂离子电池是用于生产电动汽车，混合动力汽车和插电式混合电动汽车的最尖端的电池技术[1]，这是由于它具备如下特点：（1）较高的比能和功率密度[2,3] ; （2）标称电压高，自放电率低[4] ; 和循环寿命长，无记忆效应[5]。延长电池寿命时，必须在放电和充电过程中采取预防措施，因为超出电压，电流或功率限制可能会导致电池损坏。如果维护不当，还有发生热失控的可能性[6,7]。此外，锂离子聚合物电池必须小心监测和管理（电和热），以避免安全和性能相关问题[8-11]。

好的热管理，是锂离子电池获得效率和循环寿命的关键 [12,13]。电池热管理系统（BTMS）是为了确保电池或电池组在低温下发挥正常的设计性能，在高温下获得正常的使用寿命而设计的。 [14-16]。另外，温度是一个重要因素，会影响电池几个方面的性能，包括热和电化学行为，以及最终的性能和循环寿命成本 [17-19]。锂电池通常的工作温度范围是20℃和40℃之间 [20]，允许操作的温度范围可以进一步扩展，延伸到-10℃和50℃之间 [21,22]。热管理BTMS有多种不同方法，包括：（i）空气冷却，（ii）水冷却，和（iii）相变材料（PCM）等。由于其构成简单、重量轻，空气冷却已经吸引了的许多研究人员的注意[23] 。与空气冷却相比，水冷却是更有效的方法，因为它具有能力吸收更多热量，并且体积更小，它的问题主要在于复杂性、高成本和大重量[24-26]。两者比较，由于空气的导热系数较低[27]，因此需要较高的空气速度以利用主动冷却方法为锂离子电池充分冷却[28,29]。而液体的高导热性，液体冷却与空气冷却相比具有更好的冷却性能[30]。PCM则是一个被动冷却的例子。在被动系统中，环境空气用于传送电芯排出的热量。有效的被动设计避免了风扇，歧管等部件的使用[31,32]。

在这项研究中，冷板内部的流动是湍流，因此使用ANSYS Fluent中的湍流模型。雷诺数用于确定流动状态（层流或湍流），定义如公式1所示。

其中 vs 是平均流体速度（m/s）， L 是特征尺寸（m），v是运动粘度（m2/s），也被定义为 μ/ρ， ρ 是流体密度（kg/m^3））。在这项研究中，Re = 8.7 x 10^3 ，流体定义成湍流。

基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）的建模方法，对建模的湍流的整个范围内的流量进行平均。在Fluent中有两种基于RANS的湍流模型：（1）K-Epsilon和（2）K-Omega。

K-Epsilon模型是最广泛使用的湍流模型，因为它具有稳健性和简单性。Fluent中可用的k- E模型的主要变体包括标准的k- E，可实现的和RNG（归一化组）模型。三种模型之间的主要对比如下：（1）湍流普朗特数，表示湍流的扩散；（2）E方程中的产生和破坏的周期；（3）计算湍流粘度的技术。

K-Omega湍流模型也有两种变化：标准K-Omega模型和由Menter开发的剪切应力传输（SST）模型[33]。这两种模型对于k-e都使用相同的传递方程。SST模型与标准模型的差异如下：（1）边界层内部区域存在一个缓慢变化的过程，从内部边界层到外部边界层，从标准k-omega模型到k-ε模型缓慢过度；（2）主要湍流剪应力的传输效应。

公开文献中，有多种不同的电池热模型和不同的CFD优化模型[34-36,17,26,37]。

例如，Jarrett和Kim [38]使用CFD设计和模拟电池冷却板。基本上，液体冷却系统模型采用蛇形通道并使用CFD模拟优化模型。它基于加权平均压降，冷板温度的平均值和标准偏差。应用数值优化来改进其设计。他们的结果表明，单一设计可以同时满足平均温度和压力目标，但是以温度一致性为代价。

Zhao等人[39]提出了另一种基于微通道液冷缸（LCC）的圆柱形电池冷却策略，以将最高温度和局部温度差保持在适当的范围内。通过改变通道数量，质量流量，流动方向和入口尺寸对散热性能进行数值研究。他们的结果表明，当入口质量流量为1 x 10^( -3)kg/s 时，对于42,110个圆柱电池，极端温度可以控制在40 ℃以下，微通道数量也限制在四个以内。他们还发现，当通道数量高于8时，LCC的冷却方式可以表现出良好的适合于自然对流冷却的环境差异性。

SAW等人[40]考虑CFD分析，以探索38,120个电池的电池组的空气冷却方法。使用加速量热仪，他们还测量了充电时电池产生的热量。利用稳态模拟，在各种冷却空气质量流量下，分析电池组的热性能。数值模拟结果推导出Nusselt数与雷诺数之间的相关性。并且，在不同充电倍率下对电池组进行实验测试验证了这个相关性。他们的策略提供了一个基本的方法，当电池组很大并且完全瞬态模拟不可行时，用来估计电池组的热性能。

在另一项研究中，Jin等人 [26] 组成了一个倾斜的散热片冷却板来冷却电动汽车的电池。在它们的方案中，基本配置汇总包括传统直通道设计的斜切口直翅片，以最小的压力损失提高传统通道的性能。这些穿过直翅片的斜切口形成了倾斜的翅片阵列。组成液体冷板（LCP）的结构中就包含这些简单的优化了倾斜角度和宽度的翅片。将连续翅片分割成倾斜部分导致边界层的重新初始化，为当前充分发展的厚边界层模型带来的高温问题提供了答案。他们的测试结果表明，一个倾斜的微型通道的传热系数高于一个传统的直型微型通道。倾斜的LCP可以在低于0.9 L/min的流量下，将1240 W热负载下的电池表面平均温度保持在50℃以下。

Mohammadian等人[41]使用2D和3D瞬态热分析回顾了锂离子电池组的热管理的内部和外部冷却方法。为此，水和液体电解质分别被用作外部冷却和内部冷却的冷却剂。他们的结果表明，在相同的泵功率下，利用内部冷却不仅可以降低电池内部的体积温度，而且还可以显著降低电池内部温度场的标准偏差。总之，采用内部冷却降低了速度矢量与温度梯度之间的交叉角，根据协同原理（FSP），这导致了对流换热的增加。

最后，Huo等人[42]类似地设计了基于微通道冷板的电池热管理系统。他们的设计是针对冷却矩形锂离子电池的。在他们的研究中，他们开发了冷却系统的3D热模型，并研究了流量方向，进口质量流量，通道数量和环境温度对放电过程中电池温度升高和分布的影响。作者发现，电池最极端的温度随着通道数量和入口质量流量的增加而下降。他们还得出结论：质量流量增加后，流动方向对冷却性能的影响减小；随着进口质量流量的增加，冷却效果的改善越来越不明显，5X 10^(-4) 千克/秒是最优值。

在本文中，基于微通道冷板的BTMS被设计用于水冷。对使用冷板的锂离子电池进行全面的研究和模拟。详细评估了在1C和2C的不同恒流放电率以及5 ℃，15℃和25℃的边界条件下的性能。

2 实验研究

在这里，实验细节通过实验设置，冷板相对于电池的设置，热电偶位置以及实验计划和程序进行展示。

2.1 实验装置

实验装置如图1（a）所示。这项实验工作使用了两个商用冷板来耗散放电期间锂离子电池产生的热量。一块冷板放在电池的顶部表面，另一块冷板放在电池的底部表面。使用20Ah容量的锂离子软包电池电芯用于测试测量和随后的模型验证。表1列出了电芯规格。这项实验工作共有19个热电偶。19个中，10个T型热电偶放置在电池的主表面上，如图1所示（b）中。3个热电偶也粘贴在电池的另一个表面上，第一个靠近阴极，第二个靠近阳极，第三个靠近中间体。2个热电偶用于测量不同边界条件下不同放电率下的标签处（电极或电流收集器）温度值。最后，使用4个K型热电偶测量顶部和底部冷板的进水和出水温度。

（a）水冷设置（b）热电偶位置

图1. 实验设置。

表格1，LiFePO4-20Ah锂离子软包电池规格。

2.2 实验程序

在实验工作中，为水冷方法选择了三种不同的冷却剂温度/工作温度：5℃，15℃和25℃。选择两种不同的放电速率（恒定电流）：1C和2C 。充电率（恒定电流-恒定电压）为1C。实验计划见表2。执行以下程序：（i）在开始循环之前两小时打开恒温水浴槽和泵，以使电池和冷板设置为稳态温度。等温流体被设定为期望的冷却温度5 ℃，15 ℃和25 ℃的 BCsC进行测试。（ii）启动用于控制电池充电/放电（电池电气数据采集）的LabVIEW，并将充电电流，放电电流，充电电压，放电电压和采样频率等测试参数输入到该程序。（iii）热数据采集PC（Computer-2）和Keithly 2700已打开并允许初始化。在PC机上进行的数据采集，包括如冷板顶部和底部的表面温度和进水和出水温度。

2.3 在锂离子电池中产生热量

表2

了解锂离子电池内部的发热和散热速率很重要，因为锂离子电池的性能强烈依赖于温度。热在电池内部生成是一个复杂的过程，并且取决于电化学反应速率; 它也随时间和温度而变化。如图2 所示，锂离子从活性材料颗粒中脱出或者嵌入，而不会显著改变元件的结构。这个过程离子交换的过程是锂离子电池的基础。在充电过程中，锂离子从正极脱出嵌入负极 [43,44]。在图2中，LiMO2是正极中使用的金属氧化物材料，C是负极中使用的碳质材料。在放电过程中，锂离子通过电解质流向正极。正极和负极的电化学反应，以及整体反应由下式给出

图2. 锂离子电池的充电和放电机制。

电池中的热量产生有两个主要来源：（i）由于电化学反应和（ii）焦耳热或欧姆热 [45-47]。基于这对电极，反应热可以有两种类型：放电放热，充电吸热。加热的焦耳热或欧姆热部分是由于内部电流变向在内阻上的作用[48]。发热率可以计算如下：

其中主项，我I（E-C）是焦耳或欧姆热以及其他在电池电芯中的不可逆作用。次要的部分，以热的形式或者光的形式出现，这是由于电池内部的电化学反应引起的熵变。在实际的混合动力汽车以及电动汽车目前的比率中，大部分的次要项与主要项相比可以忽略不计[49]。在这里，Fathabadi [50]改变了热量的生成速率，由下式给出

其中I是电流，对于放电I > 0，对于充电 I < 0用于放电（即，+ Ve值用于放电并且-Ve值用于充电），R是电阻，ΔS是熵，n是电子流的数量，而F是法拉第常数（96,485 Columb / mol）。

3 数值模拟

如前所述，本研究中的流动是湍流，因此它是用雷诺平均纳维 - 斯托克斯方程（RANS）建模的。在本文中，CFD研究的目标是获得可用于实验测量数据验证的结果。此外，由于实验技术仅获得了点状数据，因此CFD技术提供了整个现场和全面的数据以补充实验数据。由于温度场也很受关注，所以能量方程也得到了解决。控制方程是：

其中是梯度算子，V是平均速度（m/s），V是速度（m/s），P是压力（Pa），λ是雷诺应力，Pr是普朗特数，Prt 是湍流的普朗特数。

由于问题中的流动被假定为湍流，因此需要适当的湍流模型。在这项研究中的标准K- ε湍流模型用于赋予模型鲁棒性，较大范围内的合理精度，成熟的传热和流体分析。ANSYS Fluent中湍流动能和涡流粘度的公式如下[51]：

其中C1，C2，C3是模型常数，σk和εk  是k和ε的湍流普朗特数。Gk 代表由平均速度梯度引起的涡流动能，Gb 是由于浮力而产生湍流动能。Y M表示 可压缩湍流的波动扩张对整体耗散率的贡献。S k和S e 是用户定义的源项。通过如下组合k和e来计算湍流（或涡流）粘度：

其中 Cμ是一个常数。如前所述，本研究使用商用CFD软件ANSYS Fluent。从初始条件开始，解决方案收敛到稳定状态。

图3（a和b）在NX 8.5中建模，带有顶部和底部冷板以及锂离子电池的完整几何结构 。在CFD模拟中，术语“壁”是指流动不能穿透的任何固体表面，因此包括测试电池的壁，流道的表面。下面的参数被选择用于模型开发：

（1）粘性的模型：Re= 8.7 X 10^3；（2）壁距离为1.1 X 10^(-4)；（3） C1 = 1.44，C2 = 1.92；（5）TKE 普朗特数= 1；（6）TDR 普朗特 数=1.3；（7）能量普朗特数= 0.85，（8）壁面普朗特数= 0.85，（9）湍流规格法：湍流强度5％；湍流粘度比10；（10）求解器：类型：基于压力，时间：稳态，速度公式：绝对速度；（11）残差收敛变量：X速度，Y速度，Z速度，能量，k-epsilon，连续性方程；（12）壁处理：(y+ = 5)；（13）有限单元数量：大约2千万；（14）网格化方法：非结构化四面体与柱状壁层；（15）收敛准则：0.000001残差；（16）一阶还是二阶处理：二阶处理；（13）元素数量：约2000万：二阶，（17）流动类型：湍流；（18）柱状网格参数：增长规律：指数，初始高度：0.1，高度比：1.1，层数：3，总高度：0.331，最小柱状质量：0.009，邻接权重：0.50，圆角比：0.1；（19）全局网格大小：全局元素比例因子：1，全局元素种子大小：1，基于曲率/接近度的细化最小大小限制：1。最后，假设：

（1）电池中心对称；（2）冷却板外表面绝热。

流体被认为是不可压缩的，稳定的状态和湍流。选择水作为工作流体，密度为998.2千克/米^3 和动态粘度1.002×10^(-3) N s /m^2。该计算网格由2000万个元素组成。在该步骤的上游应用不可压缩流体的均匀自由流动速度作为入口边界条件。在入口处应用对通道流有效的导出平均速度关系。入口和出口边界条件是基于湍流强度和湍流长度尺度设置的。使用5％的湍流强度与通过实验研究获得的值一致。速度为0.5784米/秒。增强壁处理（y + = 1）作为近壁功能应用。

图3. 在NX 8.5中使用锂离子电池的顶部和底部冷却板。

网格的划分是一个非常重要的步骤，因为各种网格参数（如节点数量和元素形状）对结果的准确性和解决方案的数值行为有重大影响。使用ANSYS ICEM生成精细的非结构化四面体网格来解析所有感兴趣的流动特征。图4（a和b）显示了几何体内不同位置的网格分辨率。图示位于锂离子电池组电池顶部和底部的冷板的入口和出口通道处的网格结构。

（a））冷道中的通道（b）入口和出口啮合的部分扩大

图4.  ICEM-CFD中冷板模型啮合的入口和出口通道。

（a）在冷板中整体啮合（b）在通道的一小部分中啮合

图5. ICEM-CFD中的网格划分。

图5 （a和b）显示了组件内生成的整体网格划分。沿着各种表面流动的流体，在一般位置用3层柱状单元进行划分，而在障碍物周围，则使用更加细化的网格划分方式。柱状单元层也进行调整，使第一个节点距离壁0.1毫米。

分析也在通道中的不同平面上执行。图6显示了用于CFD分析的冷板内的垂直平面，其中1是冷板入口，4是冷板出口。

图6. 小通道冷板内的垂直平面1，2 3和4（1个入口，4个出口）。

图7. 1C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线。

表3，1C和2C放电率和不同边界条件下的进水口和出水口温度总结。

4 结果与讨论

本部分解释了在5℃，15℃和25℃的操作条件下，在1C和2C的不同放电速率下水冷锂离子电池所获得的结果。

4.1 1C和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线

图7（a，b和c）显示了1C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度（水冷）下由CFD获得的温度等值线。这些轮廓在冷却板的中间平面处获得。提醒读者，十个热电偶被安置在电池的主要表面上：

一个位于正极或负极附近，另一个位于负极或负极附近，第三个位于电池的中间，沿着电芯的高度方向上的中间。也就是说，三个放置在电极附近，三个放置在电池的中心，两个放置在电池的顶部和中间，一个放置在电池的底部，一个放置在电池的中心和底部之间。据观察，操作温度对电池和冷板的性能有很大影响，并且观察到，随着操作温度在5℃至25℃之间增加，对于1C的特定放电率，温度值也增加。一般的冷却模式是相同的，环境温度越低，进水口处的温度差异较大。

图8 2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线。

进水口温度变化与入口温度边界条件相关，但总体模式保持大致相同，图6（a）是例外情况。这可能是由于环境低温造成的差异。冷却模式遵循电池上的实验结果，出口的温度高于入口温度。所有情况下的速度等值线都是相同的，这是可以预料到的，因为模拟中涉及的低温对水的密度几乎没有影响。表3显示了进水口和出水口各个状态的温度。

4.2 在2C和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线

图8（a，b和c）显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度等值线。据观察，随着电池放电，冷板中的循环水会被加热，这是显而易见的。由于放电率从1C增加到2C，温度值也有所增加。观察到的趋势是增加的放电速率和减少的BC导致冷板中的温度升高。表3提供了在2C放电率和5℃，15℃和25℃不同工作温度下的进水口和出水口温度的总结。同样，一般的冷却模式是相同的，类似于4.1节中的结果。当水冷时，冷却板入口处的温度差异较大。温度值随入口温度边界条件而变化，但整体图案保持大致相同。同样，所有情况下的速度轮廓都是相同的。图8（d，e和f）显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的相应速度等值线。

类似地，温度和速度等值线也在微通道冷却板的入口和出口平面（平面1和平面4）处获得。图9-11显示了2C放电率和5℃，15℃和25℃工作温度下的温度和速度等值线。除此之外，还研究了放电率对电池性能的影响，发现C率和工作温度对电池性能有很大影响。

图9 2C出口速率和5 ° C工作温度下入口和出口平面的温度和速度曲线

图10.在2C放电率和15 ° C工作温度下进口和出口平面的温度和速度曲线。

图11. 2C放电率和25 ° C工作温度下入口和出口平面的温度和速度曲线。

5 结论

本文使用实验和数值（使用ANSYS-RANS方法）技术，对置于方形锂离子电池电芯上的微通道冷板内的温度和速度分布进行了比较研究用于1C和2C放电速率和5℃，15℃和25℃不同工作温度下的水冷方法。然后说明如下几点结论：（i）电池微通道水冷板内部温差随着C率的增加而增加; （ii）增加放电率（在1C和2C之间）电池表面的十个温度传感器位置的温度都上升; （iii）最靠近电极的热电偶传感器提供比中心热电偶更高的温度。模拟的冷却模式与实验获得的模式一致。这些结果为电池系统的设计和优化提供了参考。‌‌‌‌

参考文献