一、摘要
高效的熱管理系統 （TMS） 對於汽車鋰離子電池模組 （BM） 的卓越效能至關重要。液冷 TMS 由流經冷板的冷卻劑組成，與被動或強制風冷 TMS 相比，提供更高的熱傳遞速率，從而允許電池以激進的速率和更高的環境溫度充電/放電，同時保持電池溫度在最佳範圍內。在當前的研究中，我們使用圓柱 21700 鋰離子電池的可變熱負荷的三維、時間精確 CFD 模擬，研究了各種冷板通道尺寸和配置對液冷 BM 整體熱效能的影響。具體來說，我們可以透過改變冷卻劑通道的尺寸和流動路徑來考慮 8 種不同的冷板設計。對於所有冷板設計，我們評估平均和最高電池溫度，以及模組放電速率為 1C 時的傳熱速率。此外，還計算了整個冷板的冷卻劑壓降，這有助於提供有關 TMS 能效的資訊。
簡介
隨著電動汽車 （EV） 的普及，其效能優於其內燃機同類產品，因此需要更高能量密度的鋰離子電池組，能夠維持高功率放電並能夠快速充電，同時達到高安全標準。因此，高效且最佳的熱管理系統 （TMS） 對於防止電池過熱至關重要，這反過來又可能導致電池加速退化（容量衰減和阻抗上升）或熱失控等不安全事件。此外，設計良好的 TMS 對於更廣泛地採用 EV 是必要的，特別是在非常炎熱或非常寒冷的氣候條件下，同時在車輛執行期間將電池溫度保持在最佳範圍內。
在過去十年中，已經提出了幾種方法 TMS 策略來降低電池模組中的峰值電池溫度。這些方法包括對流空氣冷卻、液體冷卻、使用熱管的兩相蒸汽冷卻、相變材料 （PCM） 或這些方法的組合。由於其高導熱性，已知液體冷卻系統在消散 EV 電池模組內的電池產生的高熱量方面最為有效。因此，在這項工作中，我們將注意力集中在基於冷板的間接液體冷卻系統上。
冷板是具有高導熱性的薄金屬結構，具有用於冷卻劑流動的內部通道的裝置。由電池產生的熱量透過固體金屬冷板間接地消散到冷卻劑。因此，設計合適的通道幾何形狀，以提高這種系統的冷卻效率，並降低整體功耗是很重要的。多年來，人們提出了各種冷板設計方案，如蛇形通道、多直微通道等。儘管這些研究大多采用不同的電池型別——稜柱形、袋形或圓柱形——但它們大多限於低功率密度和每個模組的電池數量較少。近年來，出現了一個巨大的汽車社群的興趣更高的功率密度圓柱形細胞（如21700）的形式由於其易於製造和部分由於其有效性在減少總重量和大小的電池模組。然而，這種圓柱形電池的根本挑戰在於開發安全、高效、經濟的冷板的需要。
因此，在這項工作中，我們努力使用可靠且穩健的數值方法對冷板的不同設計進行詳細分析，並展示它們在由高功率密度 21700 圓柱形鋰離子電池組成的電池模組內的熱和流體動力學效能。此處特別強調數值求解器模擬鋰離子電池模組實際執行的能力，其中由於電池內部電阻 （DCIR） 產生的不可逆的焦耳熱隨充電狀態而變化 （SOC）。以 1C 的放電速率對電池模組進行分析，這意味著模組中的所有 576 個電池在 1 小時內耗盡其可用功率。為此，我們進行了引數研究，透過對跨板的冷卻劑壓降、傳熱率、最高電池溫度和模組中不同電池的溫度均勻性進行數值計算來評估液體冷板的效能。該研究有助於為使用精確的三維時間精確數值模擬設計液體冷板提供最佳化途徑。
二、模型描述
我們從一個基本殼體幾何結構開始引數化設計研究，該幾何結構由一個鋁冷板和10個內部直徑矩形冷卻液（乙二醇-水混合）通道組成，這些通道的橫截面積為Ac。為了保持冷卻液在所有通道上的均勻流動，我們使用一個在板的一端有兩個入口的分配歧管和一個在另一端有兩個出口的集合歧管（圖1）。總的來說，冷板由兩個獨立的冷卻劑組成，每個入口/出口埠連線到5個通道。共有576個形狀因子為21700的圓柱形鋰離子電池直接粘附在冷板的頂部（圖2）。
圖1 帶有10個內部冷卻液通道的基礎液體冷板的頂部截面示意圖
圖2 液冷電池模組示意圖（576圓柱形21700鋰離子電池，直接附著在冷板的頂部）
本研究的目的是透過使用基本案例設計作為參考執行兩組引數 CFD 模擬來評估液體冷板的熱效能。具體來說，我們改變了以下設計引數，同時保持冷板的整體尺寸、通道總數以及歧管和入口/出口埠的尺寸（表1）：
a。冷卻液通道的液壓直徑（hd）：我們考慮了5種不同的通道尺寸，從基礎尺寸開始，逐步減少通道的高度和寬度。本文研究的水力直徑範圍在0。45-4。56之間；
b。冷卻液通道的配置：我們考慮對基礎配置的3種不同變化，包括（i）單通道蛇形，（ii）雙通道蛇形，和（iii）雙三通道（2-3-3-2）蛇形。每一個配置提供了不同長度的冷卻劑流動路徑與冷板。
表1 引數化設計的幾何細節研究
對於本研究中的所有數值模擬，我們使用通用有限體積 CFD 求解器 STAR-CCM+。它利用 MPI 並行化來進行共享和分散式記憶體計算，從而能夠使用大網格尺寸。數值方法基於並置的網格排列，其中所有流量變數都儲存在單元中心。空間和時間離散化分別使用二階迎風格式和一階隱式方法執行。動量方程的對流項和擴散項在使用簡單型演算法和 Rhie-Chow 插值法對面通量進行離散化。液冷電池模組不同材料區域之間的相互作用是透過使用共軛傳熱模型和基於雷諾平均納維-斯托克斯 （RANS） 的可實現 k-ε湍流模型來實現的。每個數值模擬的總物理時間為 3600 秒，使用範圍從 0。1 到 1 秒的可變計算時間步長。在整個模擬過程中，確保每個時間步的整體解收斂在 0。05% 以內。
為所有固體材料區域和環境空氣提供了 30 °C 的初始溫度。但是，初始和入口的冷卻劑溫度均保持在 25 °C。使用恆定速度分佈（“塞子”剖面）規定了 1。3 LPM 入口冷卻劑流量（在具有兩個入口的設計情況下，每個入口為 0。65 LPM），並且冷卻劑中的平均剪下由無滑移邊界條件設定在冷卻劑壁上。冷卻劑出口由恆壓邊界條件表示。5 W/m2 K 的傳熱係數施加在環境空氣區域的所有外表面。
估算電池準確發熱的最大問題之一在於電池的 DCIR 在很大程度上取決於 SOC、溫度和充電/放電率。因此，為了對冷板進行準確的真實世界模擬，我們根據電池重量 100% 的 SOC 變為 1C 放電速率的典型 DCIR 曲線的修改版本，包括了發熱的瞬態行為（圖 3）在 1 小時內降至 0%，我們計劃在未來的工作中包括溫度對電池 DCIR 的影響。
圖3 21700型圓柱形鋰離子電池產生的焦耳熱隨時間的函式
為了生成由5個材料區域組成的液冷電池模組的當前幾何形狀的網格，我們使用 STAR-CCM+ 中的內建生成器。特別是，我們在求解控制方程的流體和固體區域中生成多面體網格。在所有流體區域，即冷卻劑和環境空氣中，邊界層透過6個點的精細網格完全解析（y+ = uy/v<1，其中u是摩擦速度；y+是壁法線距離）。這導致總網格大小約為1100萬個單元。
為了確保數值計算的準確性，我們根據網格收斂性研究選擇了網格尺寸。這些研究是使用一系列尺寸以逐漸提高的精確度（表2）和基於每個後續網格的冷卻劑傳熱係數計算網格收斂指數（GCI）［16］進行的。最終將對應於 GCI小於3%（中網格）的網格尺寸用於所有後續冷板設計迭代的數值模擬（圖4）。
表2 基礎液體冷板設計案例無關性網格數量
圖4 不同網格尺寸下冷卻劑平均換熱係數的變化
三、結果與討論
1。冷卻通道尺寸的影響
在本節中，我們使用上述後處理指標分析了冷板冷卻劑通道的水力直徑對熱和流動效能的影響。在所有設計迭代中，包括電池散熱在內的邊界和體積條件在數值模擬中保持不變。
圖5 鋰離子電池在1C放電速率下完全放電後冷卻劑速度的等高線。結果繪製在不同通道尺寸的垂直中間橫截面平面上，（a）基本情況，（b）情況1，（c）情況2，（d）情況3，（e）情況4
圖5說明了5種不同冷板中垂直平面截面處冷卻劑速度大小的空間分佈比較。正如預期的那樣，由於質量守恆，冷卻劑速度隨著通道水力直徑的減小而增加。事實上，對於極端設計案例4，在最低通道尺寸hd=0。45 mm時，高冷卻劑速度甚至導致在收集歧管處形成強射流和再迴圈區。總的來說，對於所有計算的設計，10個通道的速度分佈是相同的，表明入口歧管的流量平衡非常好。
圖6 整個冷板的總壓降作為內部流動通道的水力直徑的函式
整個電池模組的壓降很大程度上取決於幾何引數，尤其是冷卻通道的水力直徑。圖6中報告了通道內冷卻劑的總壓降。此處計算的值是入口和出口面之間的平均靜壓差。從圖中可以明顯看出，隨著通道尺寸的減小，壓降以指數為-3。7的冪律趨勢增加。儘管在所有考慮的情況下通道中的流速不同，但入口速度相同，因為透過兩個入口進入冷板的組合質量流量保持恆定在1。3 LPM。
圖7 對於基本情況和情況1至4，平均傳熱係數可作為通道水力直徑的函式
冷卻劑的HTC相對於hd的變化如圖7所示。從圖中可以明顯看出，傳熱係數與通道尺寸成反比。雖然與設計案例4對應的HTC最高，但透過冷板超過100 PSI的壓降使其不適用於汽車應用。儘管如此，結果還是很有啟發性的，因為它提供了確定HTC縮放行為所需的資訊。
圖8 基本情況和情況1至4的最大電池溫度的時間變化
圖9 基本案例和案例1至案例4中作為通道水力直徑函式的點池溫度均勻性
圖8和圖9分別透過Tcell_max的時間演化和溫度均勻性 Tu的指標展示了所有5種不同冷板之間的比較。總體而言，最高溫度在電池放電期間持續升高，但由於較低SOC下較高的DCIR，最終以較快的速率升高（見圖3）。正確捕捉最高溫度的這種增加至關重要，並且只能使用時間精確的模擬來完成，這可以確保每個時間步的收斂。從圖中的結果。從圖8和圖9可以看出，通道水力直徑對電池最高溫度（10℃以內）和溫度均勻性沒有顯著影響。我們認為這是因為隨著每次後續設計迭代，隨著通道變窄，鋁冷板體積會增加以保持電池模組的整體尺寸。這種情況為冷板提供了足夠的總熱質量來消散電池產生的所有熱量。
2。冷卻通道裝置的影響
在本節中，我們分析了冷板的冷卻通道配置對熱效能和流動效能的影響。具體來說，我們將注意力集中在冷板內流路方向的影響上。如前所述，我們在這裡考慮基本配置的3種不同變體，（i）單通道蛇形（案例5），（ii）雙通道蛇形（案例6）和（iii）雙三通道（2-3-3-2） 蛇形（案例7）。
圖10 鋰離子電池以 1C 放電速率完全放電後冷卻劑速度大小的輪廓。結果繪製在不同通道形狀的垂直中間橫截面平面上，（a） 基本案例，（b） 案例 5，（c） 案例 6，（d） 案例 7。
圖10說明了不同冷板配置的中垂直截面冷卻劑速度大小的空間分佈比較。可以觀察到，對於直通道配置，冷卻劑速度較低，因為來自每個入口的流量透過歧管分配到5個通道。另一方面，對於單個蛇形管（案例5），可以觀察到最高流速，因為來自入口的所有冷卻劑都流過覆蓋整個板的一個可用內部通道。
圖11 基本案例和案例 5 到 7 的冷板總壓降
圖12 平均傳熱係數作為基本案例和案例 5 至 7 的通道水力直徑的函式
圖 11 報告了不同通道配置的冷卻劑流的總壓降。來自 Maharudrayya 等人的工作。關於燃料電池的冷卻，眾所周知，冷板通道90度彎曲處的壓力損失會顯著影響總壓力損失，尤其是在高流速下。對於具有9個180°彎頭和高通道流速的配置5，發現壓降比基本配置高50倍以上。案例6和7的壓降趨勢相似，配置分別具有4和3個180°彎頭。然而，由於流速較低，與基本配置相比，案例6和案例7的壓降差異僅高出約10-15倍。不同冷板配置的冷卻劑平均HTC的變化如圖12所示。正如預期的那樣，對於單一蛇形配置（案例5）觀察到最高 HTC。另一方面，在案例7中觀察到最低的HTC，因為當流量從具有兩個通道的部分透過180°彎重新分配到具有三個通道的部分時，冷卻劑通道之間存在較大的流量不平衡。
圖13 透過對基本案例和案例5至案例7的數值模擬觀察到的最大電池溫度的時間變化
圖14 不同冷板配置的電池溫度均勻性
圖13和14分別說明了4種不同冷板配置的Tcell_max和溫度均勻性Tu的時間演變。所有冷板的最大電池溫度和溫度均勻性變化幾乎相同，由於平均HTC值較高，蛇形結構的最大電池溫度略低。從換熱器設計可知，由於流動分佈更好，蛇形通道配置通常導致比平行通道更均勻的溫度分佈。然而，透過我們基礎幾何形狀的最佳化設計，所有平行通道的流量分佈相同，從而實現了卓越的熱效能。此外，單一蛇形配置的最高溫度的小幅下降可能不證明其使用是合理的，因為與之相關的壓降顯著更高（圖 10）。
結論
我們使用 3D 時間精確數值模擬進行了引數研究，以分析冷卻劑通道尺寸和通道配置對具有 576 個 21700 形狀因子的圓柱形鋰離子電池的液體冷板的熱效能的影響。具體來說，我們討論了八種不同液體冷板的詳細幾何設計、CFD 模擬和分析。觀察到以下結果：
a。液體冷卻電池模組上的冷卻劑壓力隨通道水力直徑的變化提供了冪律縮放指數 -3。7。
b。冷卻劑傳熱係數隨通道水力直徑的變化提供了冪律比例指數-1。
c。隨著通道水力直徑的變化，整個電池模組的最高電池溫度和電池溫度均勻性保持相對不受影響。
d。從所有的計算中可以看出，對於給定的整體尺寸、流動路徑長度、入口/出口埠的尺寸和固定的冷卻劑流量，液體冷板的真實效能取決於壓降和 HTC。
儘管模擬結果顯示基於熱指標的所有冷板的效能幾乎相同，但基於整體壓降的基礎冷板設計優於所有其他設計。因此，最佳化液體冷板涉及效能指標的組合，例如電池溫度變化、冷卻劑壓降和電池溫度。總體而言，這項研究提供了一種穩健的數值方法，可透過將電池的實際瞬態熱量作為其充電狀態 （SOC） 的函式來測試任何未來用於高能量密度鋰離子電池模組的液體冷板設計迭代）。
文章來源：Pulugundla， G。， Dubey， P。， and Srouji， A。， “Time-Accurate CFD Analysis of Liquid Cold Plates for Efficient Thermal Performance of Electric Vehicle Li-Ion Battery Modules，” SAE Technical Paper 2019-01-0500， 2019， doi：10。4271/2019-01-0500。
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