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概述

本文使用實驗和數值技術對置于方形鋰離子電池電芯上的微通道冷板內冷卻液的溫度和速度分布進行了比較研究。該研究是針對1C和2C放電速率和5 ℃，15 ℃和25℃的不同工作溫度下的水冷方法進行的。總共19個熱電偶用于該實驗工作，并被有目的地放置在不同的地點。十九個溫度傳感器中，十個T型熱電偶被放置在電池的主表面上，使用四個K型熱電偶測量進水和出水溫度。在計算上，使用了ANSYS Fluent中的k- e模型以模擬微通道冷卻板中的流動，并且使用溫度曲線的實驗數據進行驗證。

獲得的基本結論如下：本文使用實驗和數值（使用ANSYS-RANS方法）技術，對置于方形鋰離子電池電芯上的微通道冷板內的溫度和速度分布進行了比較研究用于1C和2C放電速率和5℃，15℃和25℃不同工作溫度下的水冷方法。然后說明如下幾點結論：（i）電池微通道水冷板內部溫差隨著C率的增加而增加; （ii）增加放電率（在1C和2C之間）電池表面的十個溫度傳感器位置的溫度都上升; （iii）最靠近電極的熱電偶傳感器提供比中心熱電偶更高的溫度。
 

1  介紹

為了緩解環境問題，汽車行業被迫轉向可持續發展汽車，如電動汽車（EV），混合動力電動汽車（HEV），插電式混合動力電動汽車

（PHEV）和燃料電池汽車（FCV） ）。目前，鋰離子電池是用于生產電動汽車，混合動力汽車和插電式混合電動汽車的最尖端的電池技術[1]，這是由于它具備如下特點：（1）較高的比能和功率密度[2,3] ; （2）標稱電壓高，自放電率低[4] ; 和循環壽命長，無記憶效應[5]。延長電池壽命時，必須在放電和充電過程中采取預防措施，因為超出電壓，電流或功率限制可能會導致電池損壞。如果維護不當，還有發生熱失控的可能性[6,7]。此外，鋰離子聚合物電池必須小心監測和管理（電和熱），以避免安全和性能相關問題[8-11]。

好的熱管理，是鋰離子電池獲得效率和循環壽命的關鍵 [12,13]。電池熱管理系統（BTMS）是為了確保電池或電池組在低溫下發揮正常的設計性能，在高溫下獲得正常的使用壽命而設計的。 [14-16]。另外，溫度是一個重要因素，會影響電池幾個方面的性能，包括熱和電化學行為，以及最終的性能和循環壽命成本 [17-19]。鋰電池通常的工作溫度范圍是20℃和40℃之間 [20]，允許操作的溫度范圍可以進一步擴展，延伸到-10℃和50℃之間 [21,22]。熱管理BTMS有多種不同方法，包括：（i）空氣冷卻，（ii）水冷卻，和（iii）相變材料（PCM）等。由于其構成簡單、重量輕，空氣冷卻已經吸引了的許多研究人員的注意[23] 。與空氣冷卻相比，水冷卻是更有效的方法，因為它具有能力吸收更多熱量，并且體積更小，它的問題主要在于復雜性、高成本和大重量[24-26]。兩者比較，由于空氣的導熱系數較低[27]，因此需要較高的空氣速度以利用主動冷卻方法為鋰離子電池充分冷卻[28,29]。而液體的高導熱性，液體冷卻與空氣冷卻相比具有更好的冷卻性能[30]。PCM則是一個被動冷卻的例子。在被動系統中，環境空氣用于傳送電芯排出的熱量。有效的被動設計避免了風扇，歧管等部件的使用[31,32]。
 

在這項研究中，冷板內部的流動是湍流，因此使用ANSYS Fluent中的湍流模型。雷諾數用于確定流動狀態（層流或湍流），定義如公式1所示。

其中 vs 是平均流體速度（m/s）， L 是特征尺寸（m），v是運動粘度（m2/s），也被定義為 μ/ρ， ρ 是流體密度（kg/m^3））。在這項研究中，Re = 8.7 x 10^3 ，流體定義成湍流。
 

基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）的建模方法，對建模的湍流的整個范圍內的流量進行平均。在Fluent中有兩種基于RANS的湍流模型：（1）K-Epsilon和（2）K-Omega。
 

K-Epsilon模型是最廣泛使用的湍流模型，因為它具有穩健性和簡單性。Fluent中可用的k- E模型的主要變體包括標準的k- E，可實現的和RNG（歸一化組）模型。
 

三種模型之間的主要對比如下：

（1）湍流普朗特數，表示湍流的擴散；

（2）E方程中的產生和破壞的周期；

（3）計算湍流粘度的技術。
 

K-Omega湍流模型也有兩種變化：標準K-Omega模型和由Menter開發的剪切應力傳輸（SST）模型[33]。這兩種模型對于k-e都使用相同的傳遞方程。SST模型與標準模型的差異如下：（1）邊界層內部區域存在一個緩慢變化的過程，從內部邊界層到外部邊界層，從標準k-omega模型到k-ε模型緩慢過度；（2）主要湍流剪應力的傳輸效應。
 

公開文獻中，有多種不同的電池熱模型和不同的CFD優化模型[34-36,17,26,37]。
 

例如，Jarrett和Kim [38]使用CFD設計和模擬電池冷卻板。基本上，液體冷卻系統模型采用蛇形通道并使用CFD模擬優化模型。它基于加權平均壓降，冷板溫度的平均值和標準偏差。應用數值優化來改進其設計。他們的結果表明，單一設計可以同時滿足平均溫度和壓力目標，但是以溫度一致性為代價。
 

Zhao等人[39]提出了另一種基于微通道液冷缸（LCC）的圓柱形電池冷卻策略，以將最高溫度和局部溫度差保持在適當的范圍內。通過改變通道數量，質量流量，流動方向和入口尺寸對散熱性能進行數值研究。他們的結果表明，當入口質量流量為1 x 10^( -3)kg/s 時，對于42,110個圓柱電池，極端溫度可以控制在40 ℃以下，微通道數量也限制在四個以內。他們還發現，當通道數量高于8時，LCC的冷卻方式可以表現出良好的適合于自然對流冷卻的環境差異性。
 

SAW等人[40]考慮CFD分析，以探索38,120個電池的電池組的空氣冷卻方法。使用加速量熱儀，他們還測量了充電時電池產生的熱量。利用穩態模擬，在各種冷卻空氣質量流量下，分析電池組的熱性能。數值模擬結果推導出Nusselt數與雷諾數之間的相關性。并且，在不同充電倍率下對電池組進行實驗測試驗證了這個相關性。他們的策略提供了一個基本的方法，當電池組很大并且完全瞬態模擬不可行時，用來估計電池組的熱性能。
 

在另一項研究中，Jin等人 [26] 組成了一個傾斜的散熱片冷卻板來冷卻電動汽車的電池。在它們的方案中，基本配置匯總包括傳統直通道設計的斜切口直翅片，以最小的壓力損失提高傳統通道的性能。這些穿過直翅片的斜切口形成了傾斜的翅片陣列。組成液體冷板（LCP）的結構中就包含這些簡單的優化了傾斜角度和寬度的翅片。將連續翅片分割成傾斜部分導致邊界層的重新初始化，為當前充分發展的厚邊界層模型帶來的高溫問題提供了答案。他們的測試結果表明，一個傾斜的微型通道的傳熱系數高于一個傳統的直型微型通道。傾斜的LCP可以在低于0.9 L/min的流量下，將1240 W熱負載下的電池表面平均溫度保持在50℃以下。
 

Mohammadian等人[41]使用2D和3D瞬態熱分析回顧了鋰離子電池組的熱管理的內部和外部冷卻方法。為此，水和液體電解質分別被用作外部冷卻和內部冷卻的冷卻劑。他們的結果表明，在相同的泵功率下，利用內部冷卻不僅可以降低電池內部的體積溫度，而且還可以顯著降低電池內部溫度場的標準偏差。總之，采用內部冷卻降低了速度矢量與溫度梯度之間的交叉角，根據協同原理（FSP），這導致了對流換熱的增加。
 

最后，Huo等人[42]類似地設計了基于微通道冷板的電池熱管理系統。他們的設計是針對冷卻矩形鋰離子電池的。在他們的研究中，他們開發了冷卻系統的3D熱模型，并研究了流量方向，進口質量流量，通道數量和環境溫度對放電過程中電池溫度升高和分布的影響。作者發現，電池最極端的溫度隨著通道數量和入口質量流量的增加而下降。他們還得出結論：質量流量增加后，流動方向對冷卻性能的影響減小；隨著進口質量流量的增加，冷卻效果的改善越來越不明顯，5X 10^(-4) 千克/秒是最優值。
 

在本文中，基于微通道冷板的BTMS被設計用于水冷。對使用冷板的鋰離子電池進行全面的研究和模擬。詳細評估了在1C和2C的不同恒流放電率以及5 ℃，15℃和25℃的邊界條件下的性能。
 

2 實驗研究

在這里，實驗細節通過實驗設置，冷板相對于電池的設置，熱電偶位置以及實驗計劃和程序進行展示。
 

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1（a）所示。這項實驗工作使用了兩個商用冷板來耗散放電期間鋰離子電池產生的熱量。一塊冷板放在電池的頂部表面，另一塊冷板放在電池的底部表面。使用20Ah容量的鋰離子軟包電池電芯用于測試測量和隨后的模型驗證。表1列出了電芯規格。這項實驗工作共有19個熱電偶。19個中，10個T型熱電偶放置在電池的主表面上，如圖1所示（b）中。3個熱電偶也粘貼在電池的另一個表面上，第一個靠近陰極，第二個靠近陽極，第三個靠近中間體。2個熱電偶用于測量不同邊界條件下不同放電率下的標簽處（電極或電流收集器）溫度值。最后，使用4個K型熱電偶測量頂部和底部冷板的進水和出水溫度。
 

（a）水冷設置（b）熱電偶位置
 

圖1. 實驗設置。
 

表格1，LiFePO4-20Ah鋰離子軟包電池規格。

2.2 實驗程序

在實驗工作中，為水冷方法選擇了三種不同的冷卻劑溫度/工作溫度：5℃，15℃和25℃。選擇兩種不同的放電速率（恒定電流）：1C和2C 。充電率（恒定電流-恒定電壓）為1C。實驗計劃見表2。執行以下程序：（i）在開始循環之前兩小時打開恒溫水浴槽和泵，以使電池和冷板設置為穩態溫度。等溫流體被設定為期望的冷卻溫度5 ℃，15 ℃和25 ℃的 BCsC進行測試。（ii）啟動用于控制電池充電/放電（電池電氣數據采集）的LabVIEW，并將充電電流，放電電流，充電電壓，放電電壓和采樣頻率等測試參數輸入到該程序。（iii）熱數據采集PC（Computer-2）和Keithly 2700已打開并允許初始化。在PC機上進行的數據采集，包括如冷板頂部和底部的表面溫度和進水和出水溫度。
 

2.3 在鋰離子電池中產生熱量

表2

了解鋰離子電池內部的發熱和散熱速率很重要，因為鋰離子電池的性能強烈依賴于溫度。熱在電池內部生成是一個復雜的過程，并且取決于電化學反應速率; 它也隨時間和溫度而變化。如圖2 所示，鋰離子從活性材料顆粒中脫出或者嵌入，而不會顯著改變元件的結構。這個過程離子交換的過程是鋰離子電池的基礎。在充電過程中，鋰離子從正極脫出嵌入負極 [43,44]。在圖2中，LiMO2是正極中使用的金屬氧化物材料，C是負極中使用的碳質材料。在放電過程中，鋰離子通過電解質流向正極。正極和負極的電化學反應，以及整體反應由下式給出

圖2. 鋰離子電池的充電和放電機制。

電池中的熱量產生有兩個主要來源：（i）由于電化學反應和（ii）焦耳熱或歐姆熱 [45-47]。基于這對電極，反應熱可以有兩種類型：放電放熱，充電吸熱。加熱的焦耳熱或歐姆熱部分是由于內部電流變向在內阻上的作用[48]。發熱率可以計算如下：

其中主項，我I（E-C）是焦耳或歐姆熱以及其他在電池電芯中的不可逆作用。次要的部分，以熱的形式或者光的形式出現，這是由于電池內部的電化學反應引起的熵變。在實際的混合動力汽車以及電動汽車目前的比率中，大部分的次要項與主要項相比可以忽略不計[49]。在這里，Fathabadi [50]改變了熱量的生成速率，由下式給出

其中I是電流，對于放電I > 0，對于充電 I < 0用于放電（即，+ Ve值用于放電并且-Ve值用于充電），R是電阻，ΔS是熵，n是電子流的數量，而F是法拉第常數（96,485 Columb