分析锂离子电池组的液体冷却

锂离子（锂离子）电池以其能效而广为人知，并成为电动汽车设计师（EV）的首选电池。但是，这些电池随着温度突然变化而迅速失去效率。控制温度上升的一种方法（无论是环境还是由电池本身生成）是液体冷却，这是一种有效的热管理策略，可延长电池组的使用寿命。为了在电池中研究液体冷却并优化热管理，工程师可以使用多物理模拟。

电动汽车中锂离子电池的热管理

由于其高能量密度，长寿命和低自由度的速度，锂离子电池有很多用途。这就是为什么它们在从便携式设备到电网储能范围的电子应用中变得越来越重要的原因 - 由于它们的重量与重量相比，它们正成为电动汽车和混合动力汽车（HEV）的首选电池。

尽管有许多优势，但锂离子电池对极高和高温特别敏感。当锂离子电池组由于环境因素或其自身的充电或排放率而变得太热或冷时，其性能和生命周期可能会大大降低。不仅如此，而且一旦电池组加热或冷却了最佳温度范围为20至40°C，即使温度的一级变化也可以改变电池管理系统和汽车本身的安全性，电荷接受和可靠性。

充电站的电动汽车。SanteriViinamäki的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。

热管理通过直接解决这些问题，帮助设计师将设计师重新回到驾驶员座位上。有两个与温度相关的主要因素需要重点关注长寿和最佳电池性能：

1. 电池组的最佳温度范围
2. 电池组和电池内的温度均匀分布

电动汽车的设计师在设计中包括电池热管理系统时还必须考虑其他因素。以热管理系统的大小为例：在整个EV设计中，安全电路和有害气体清除系统占用空间，电动汽车中的电池组必须足够大才能为整个车辆供电。因此，热管理系统不会太大或重量，以至于它会干扰电动动力总成系统的性能 - 但是它仍然需要足够有效，以快速消除较大的电池组产生的热量。

电池最有效的冷却系统是什么？

EV中的电池通常以以下方式冷却：

1. 空气冷却
2. 液体冷却
3. 相变材料（PCM）冷却

尽管每种冷却方法都有利弊，但研究表明，由于电动汽车的大小，重量和功率要求，液体冷却是电动汽车中锂离子电池的可行选择。直接液体冷却需要将电池浸入流体中，因此冷却液体的电导率低（或否）的电导率很重要。间接液体冷却不需要电池电池与液体接触。取而代之的是，可以通过系统内的金属管道循环液体冷却液，这需要金属具有某种防腐剂保护。

使用comsolMultiphysics®和附加组件电池设计模块和传热模块，工程师可以对液冷锂离子电池组进行建模，以研究和优化冷却过程。

用ComsolMultiphysics®建模液体冷却液体冷却

对于此液冷电池组示例，模拟了细胞中的温度曲线和锂离子包中的冷却鳍。（虽然冷却鳍可以增加系统的重量，但由于其高热电导率，它们对热传递有很大帮助。）

如下所示的电池组几何形状由三个堆叠的重复单元和两个流动连接器通道组成（一个在入口上，一个在冷却鳍的出口侧）。包装中的每个单元电池都有一个冷却鳍（每个2毫米），带有流动通道，每侧有一个电池（每个电池2毫米），总厚度为6 mm。

左：由三个单位单元组成的电池组几何形状。右：电池组的单元，带有两个电池和一个带有五个冷却通道的冷却鳍片。

该模型设置为在3D中求解负载周期中的操作点。为了计算平均热源和对单元进行建模，您可以使用与该模型相同的1D电化学模型3D教程模型中圆柱锂离子电池的热建模。电池温度设置为冷却液的入口温度，并将放电负荷设置为7.5℃。

假设电池组中的温度变化很小，则可以使用平均温度来计算冷却液和电池材料的特性。同样，如果负载周期中热量产生的变化比包装中的热传输小得多，则可以在载荷中的热平衡为定位，并在负载期间设置热平衡是绝对的循环。

由于我们想解决冷却通道中的速度和压力以及为温度场求解的速度和压力层流和传播热量此模型的接口。

对于流动，假定冷却液具有水的材料特性，并使用进气温作为输入来计算流体特性。流过冷却板的液体以入口1进入，而电池组中早期通过冷却鳍的流则在入口2处进入。大气压在出口处施加。

建立热传递，以便为温度场解决流动室，铝冷却鳍和电池。回到模型3D中的圆柱锂离子电池，您可以在电池域中应用相同的密度，热容量和热源。然后，在此示例中，对入口1的冷却流体的温度为310 K，并将边界热通量应用于入口2。类似地，在出口处施加流出条件，并在其他边界上应用进一步的热通量条件在绝缘质不良的情况下考虑一些热量损失。

评估3项研究的仿真结果

一旦在所有物理学中设置了模型，就可以按以下顺序为每个物理接口解决三个研究：

1. 流体流
2. 热源
3. 准温度

让我们看一下研究结果。

对于流体流量研究，您可以使用恒定的入口温度，以便在通道中具有恒定的均匀温度和冷却流体特性。在下面的图中，您可以看到通道中的压力损失，可用于优化电池的流动泵。

流动室中的压力。

第二项研究通过解决电化学问题的时间依赖的研究步骤来计算电池的平均热源。这项研究的运行时间为60 s，假设一维电池模型中的温度是恒定的，并且等于冷却液体的入口温度。左下方是电池温度，在最高温度和最低温度之间约为3 k。在这里，我们可以看到不同电池内的温度变化小于单个电池内的温度变化。在右下方，冷却液体温度的结果如预期的那样，表明温度略低于电池，并且与整个电池组的温度分布一致。

此外，对于下面结果中第二个电池的温度，看来冷却鳍在这里工作 - 面向冷却鳍的表面较冷，并且在入口拐角处的最酷温度。

朝向冷却鳍和面向第三个电池的表面的第二电池的温度升高。

最后，准研究步骤使用第一项研究中的流速度和第二项研究的平均热源来获得以下结果：通过评估切割板中的速度幅度通过冷却鳍的中间（如下），我们可以看到流动分布在不同的通道中是均匀的。由于总流量很高，产生了很小的停留时间，因此电池组在变化后迅速达到了绝对温度曲线。

冷却鳍中的速度幅度，表明流动均匀分布在五个通道之间。

通过在锂离子电池组中对液体冷却过程进行时间依赖性和温度分析，可以改善热管理和优化电池组设计。

下一步

尝试通过单击下面的按钮来自己对液冷锂离子电池组进行建模。这样做将带您到应用程序库，您可以在其中下载PDF文档和Model MPH文件。