一種車用動力電池流場與散熱設計分析

李波

摘 要：車用動力電池技術的發(fā)展帶動著新能源汽車行業(yè)的興起，動力電池性能很大程度上受溫度的影響。文章設計了一種車用動力電池排列方式，用液冷方式對其散熱，通過仿真分析液體冷卻中不同的冷卻液流速和不同的液體流場對電池組散熱的影響。仿真分析得出：在一定范圍內(nèi)隨著冷卻液流速的增加，電池組溫度有效降低且電池組之間的溫差較??；不同的液體流向也會影響電池組的散熱情況。

關鍵詞：動力電池；電池液冷；液體流速；散熱分析

中圖分類號：TM912.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）30-0038-03

新能源汽車的興起已是社會發(fā)展的必然趨勢，不僅能減少人們對化石燃料的依賴，還能降低汽車尾氣的排放，有效改善環(huán)境質(zhì)量[1]。車用動力電池技術是新能源汽車領域中關鍵技術之一，車用動力電池的性能直接影響了新能源汽車的使用性能[2，3]。電池性能在很大程度上受到溫度的影響，溫度過低會降低化學反應速率、降低電池的SOC值；溫度過高會使電池產(chǎn)生不可逆的分解[4]。為保證車用動力電池的工作始終處于有效的溫度區(qū)間內(nèi)，就必須擁有科學和高效的熱管理系統(tǒng)來提高電池的使用性能[5]。

1985年Bernardi[6]假設電池內(nèi)部產(chǎn)熱率相同且均勻并提出典型的電池發(fā)熱模型；文獻[7]在Bernardi模型的基礎上引入了修正因子對模型進行了修正，并指出電池的工作電流和表面對流傳熱系數(shù)都會影響電池的散熱；2011年底福特公司研發(fā)出了純電動鋰離子電池包，使用液冷熱管理方案，大大提升了電池的使用性能和壽命[8]。清華大學馮旭寧[9]等人確認了電池各項異性導熱系數(shù)，并在液冷卻下驗證了不同的電池排列方式產(chǎn)生不同的導熱系數(shù)。文獻[10]提出采用冷卻盤方式對方形動力電池進行冷卻，不同的冷卻盤內(nèi)腔液體流道對電池組的散熱具有不同的影響。

本文總結了車用動力電池的生熱機理及傳熱方式，通過仿真分析液體冷卻中不同的冷卻液流速和不同的液體流場對電池組散熱的影響。

1 鋰離子電池熱管理系統(tǒng)

本文采用了方形鋰離子電池，型號為502040，長寬高為5mm×20mm×40mm，電池的熱物性參數(shù)見表1。

鋰離子電池布置與散熱方式：

車用動力電車組一共24個電池單體，分6組每組4個電池單體，形成6個方形電池包。電池箱體采用了鋁合金材料外部尺寸為82mm×63mm×47mm，箱體側面厚度1 mm，底面厚度2mm；電池組內(nèi)部用鋁合金擋板固定電池的布置，厚度為0.5 mm，如圖1所示。

本文采用液冷卻，選取硅油作為變壓器油，相應的物理性能參數(shù)如表2。

2 車用動力電池散熱分析

2.1 液體流速對電池散熱效果分析

對上節(jié)設計的電池組模型選擇下進上出的液體流向。根據(jù)仿真結果分析可知，在進出口位置附近的溫度較低，散熱效果較好，在進液口的上方，由于液體流線在其位置分布較少，降溫效果相對較差。

改變液體流速分析其散熱情況，流速分別為0.1m/s，0.2m/s和0.3m/s，溫度為303K時的溫度分布云圖如圖2所示。

從而得到流速分別為0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s的最高溫度和平均溫度分布折線圖如圖3所示。

從上面三組不同流速的最高溫度對比圖可以看出，在同等放電環(huán)境下，三種流速下的最高溫度均在31℃以下，符合電池工作的最優(yōu)工作溫度范圍（25℃～40℃）[11]。液體流速為0.1m/s時，電池組的最高溫度達到30.8℃，并且每個電池包的溫度比其他兩種流速的要高。流速為0.2m/s和0.3m/s時最高溫度均保持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。從中可以得出：其他條件不變的情況下，液體流速越快，電池組的溫度越低，電池組之間的溫度差越小，電池的冷卻效果和均一性越好。

根據(jù)平均溫度的折線圖從表面上來看，流速越快它的平均溫度越低，并且電池組溫度相對都比較穩(wěn)定，減少了電池內(nèi)部的溫度差。但過快的液體流速會對電池組產(chǎn)生較大的沖擊，會導致電池組的不穩(wěn)定以及漏電等危險情況。因此，液體流速選取需適度。

2.2 不同的液體流向對電池散熱效果分析

上一小節(jié)采用了下進上出的液流冷卻模型，本節(jié)選用上進下出的液流模型進行對比分析，圖3為上進下出流向液體流速分別為0.1m/s，0.2m/s和0.3m/s時的溫度分布云圖。

將圖3中的仿真結果與圖7進行平行對比分析，在液體流速一定的前提下，分析上進下出與下進上出的進液方式在對應流速的最高溫度。

從圖中可以看出：圖（a）中上進下出的進液方式電池包最高溫度比下進上出要高，但電池包的溫差要比下進上出的溫差小，也就是上進下出電池包的均一性比下進上出電池包的均一性好；圖（b）中最高溫度仍是上進下出進液模式高些，但其電池包均一性效果不明顯；圖（c）中上進下出的最高溫度普遍高于下進上出模式，電池包均一性效果也未有明顯優(yōu)勢。普遍地上進下出的進液模式要比另一種散熱效果差，因為在上進下出模式中，由于冷卻液的重力作用致使無法在空間內(nèi)充分地散開，而下進上出模式則需要克服冷卻液的重力作用使得冷卻液與電池接觸時間更長，從而使溫度相對較低。

3 結束語

（1）在車用動力電池中，為有效降低電池放電溫度，設計了一種動力電池組的排列方法，組合成六個方形電池包。在冷卻液冷卻仿真試驗中能有效地給電池包降溫，使得鋰電池在最適合的溫度下工作。

（2）電池組內(nèi)的放電溫度隨著冷卻液流速的增加而降低，電池組之間的溫度差變小，電池的均一性越好。但超過一定的流速范圍，對電池組的穩(wěn)定性和安全性都會受到一定的影響。

（3）不同的液體流向會影響電池組的散熱情況，本文提到的兩種液體流向對電池組間的溫度差影響不大，而在電池降溫過程中，下進上出液流冷卻模式要比上進下出模式降溫效果好。endprint

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