某電動車輛動力電池組散熱研究

于蘭英，盧宇奇，伍川輝

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

鋰離子電池因其能量密度高、功率密度大及使用壽命長等優點成為當前新能源行業使用最廣泛的動力電池之一[1-2]。然而動力電池成組使用時產生的熱量累積將使電池組溫度明顯上升、車輛性能衰退，嚴重時甚至導致動力電池組熱失控，從而引發安全事故。因此，采用合理的動力電池熱管理系統，讓電池工作在適當的溫度范圍內，保持其電化學性能并延長使用壽命，保證電動車輛的動力性、安全性和可靠性成為目前的研究熱點之一。

目前動力電池冷卻散熱的措施主要有風冷、液冷、熱管冷卻、相變材料冷卻及熱電冷卻等[3]。相比液體冷卻，空氣冷卻結構簡單，但熱交換率較低[4]；相變材料冷卻可以使電池組溫度均勻性更好，但在降低電池溫度方面通常不如液冷有效[5]。文獻[6]采用蛇形通道的冷卻板對動力電池進行熱管理，并對影響冷卻板散熱特性的液流通道的路徑、寬度及長度等參數進行了優化。文獻[7-9]采用微通道形式的冷卻板對鋰電池進行熱管理，并對冷卻效果進行了分析。

綜合分析國內外動力電池熱管理的研究現狀，選用冷卻能力優異同時適合工程化應用的液冷方式[10]，采用Ansys對液冷動力電池組模型進行仿真，研究相同水力直徑下液冷板流道截面形狀對動力電池組溫度分布的影響，并以此為基礎，提出導熱強化方案，分析導熱強化-鋁板方案和導熱強化-石墨片方案對于降低電池組溫度及提高電池表面溫度均勻性的影響。

2 模型和方法

2.1 物理模型

選用國內某動力電池廠家主推的3.2V/210Ah型磷酸鐵鋰電池，以（6×10）的排列方式將單體電池均勻平鋪并連接構成動力電池組，基于方形電池散熱模型的條件，將電池單體簡化為（142×67×216）mm 的均勻長方體，電池組總體大小為（867×706×236）mm；同時采用在該動力電池組頂部和底部對稱布置10mm 厚的液冷板的換熱方式作為電池組的基本液流換熱結構。動力電池組液冷方案模型，如圖1所示。

圖1 動力電池組液冷方案模型Fig.1 Power Battery Pack Liquid Cooling Scheme Model

2.2 理論分析

主要考慮放電情況下電池的生熱量，在處理鋰電池產熱速率問題時，采用文獻[11]在假設電芯內部發熱量均勻的基礎上，建立的電池生熱一般模型，生熱速率理論計算公式：

式中：q—電芯單位體積的生熱速率，W·m-3；I—電池的工作電流，A；V—電池的體積，m3；U—電池工作時的端路電壓，V；E0—電池的開路電壓，V；T—電池工作溫度，K；—溫度系數，V·K-1。通過式（1）計算得1C 放電倍率下電池生熱率為10136.84 W·m-3。

流體在流道內流動，通過液冷板與動力電池組進行熱量交換，該過程遵循質量、動量和能量守恒定理。

式（2）～式（5）中：ρ—流體密度，kg·m-3；t—流動時間，s；u、v、w—速度矢量u在x、y、z方向上的分量。

能量守恒方程：

式中：CP—比熱容，J·（kg·K）-1；k—流體的導熱系數，W·（m·K）-1；Τ—溫度，℃；SΤ—內熱源，W·m-3。

另外，根據流動狀態的不同，還需要考慮湍流狀態下的運動方程。

湍流基本方程：

式（7）、式（8）中：η—湍流粘性系數，ηt=cu ρk2/ε；c1、c2、cu—三個經驗系數；σk、σε—兩個常數。

2.3 仿真模型設置

使用有限元仿真軟件Ansys解決混合場的熱傳遞問題。考慮到模型整體的對稱性，為提高運算速度，將Y=102.5 mm截面設置為對稱面；求解分析時，選擇SAMPLE算法計算動量方程中的壓力和速度耦合，空間離散格式選擇二階迎風格式來計算壓力、動量和能量的離散方程。

設定仿真的基本工況為：電池組與環境之間設置為自然對流；冷卻液選擇溶質質量分數為50%的乙二醇水溶液，初始溫度設置為303.15K；環境溫度設置為303.15K，流道入口為massflow-inlet，入口流量為10g/s，流道出口設置為outflow。仿真時間1h。電池、液冷板及冷卻液熱物性參數，如表1所示。

表1 各材料熱物性參數Tab.1 Thermophysical Parameters of Each Material

3 計算結果與分析

3.1 液冷板流道截面對動力電池組熱分布的影響

對圖1模型進行仿真分析，分別對水力直徑均為8mm的圓形截面流道與長寬比為1：1的正方形截面流道的液冷方案進行仿真計算，在冷卻液入口流量為10g/s時，兩種截面流道的液冷方案下動力電池組溫度分布，如圖2所示；在冷卻液入口流量工況分別為4、6、8、10、12、14、16、18g/s時，兩種截面流道的液冷方案下動力電池組最高溫度、流道進出口壓降以及單體電池間最大溫差，分別如圖（3）～圖（5）所示。結果表明：隨著冷卻液入口流量的增加，電池組的最高溫度逐漸降低，單體電池間最大溫差也隨之減小，溫均效果變好，但液冷板內冷卻液進出口壓差逐漸增大。

圖2 電池組在兩種截面流道溫度分布云圖Fig.2 Battery Pack in Two Cross-Section Flow Temperature Distribution

由圖3可知，當冷卻液入口流量工況為4g/s時，動力電池組在圓形和正方形兩種截面流道下的最高溫度分別為314.728K和314.738K，圓形流道略低于正方形流道，兩種截面流道下的電池組最高溫度僅相差0.01K。當冷卻液入口流量為10g/s 和18g/s時，圓形截面流道的電池組最高溫度分別為312.607K、311.129K，正方形截面流道的電池組最高溫度分別為311.956K、310.193K，較圓形流道分別降低了0.651K和0.936K，可見，隨著冷卻液入口流量的增加，正方形流道較之圓形流道可更好的降低電池組最高溫度，且入口流量越大，兩者的差距越明顯。

圖3 電池組最高溫度Fig.3 Maximum Temperature of Battery Pack

圓形流道液冷板的流阻明顯高于正方形流道，且兩者的差值隨冷卻液流量的增加而逐漸增大，如圖4所示。當冷卻液入口流量為4g/s、10g/s和18g/s時，圓形流道的壓降分別為：0.57MPa、1.705MPa、3.639MPa，正方形流道的壓降分別為：0.317MPa、0.922MPa、1.93MPa，圓形流道較正方形流道分別高0.252MPa、0.783MPa、1.709MPa。

圖4 冷卻液進出口壓降Fig.4 Pressure Drop Between Inlet and Outlet

圓形與正方形兩種截面流道對電池組整體溫差的影響差距不明顯，前者對電池組溫差的影響略優于后者，如圖5所示。結合圖2分析造成電池組單體電池間溫差的原因主要有兩個方面，首先隨著冷卻液流程的增加，不斷的熱交換過程使冷卻液自身溫度增加，從而導致流體在逐漸接近出口的過程中，流體冷卻能力逐漸下降；其次，就單體電池而言，其溫度分布表現出明顯的分層現象，原因為較高的流量使得電池兩端的溫度迅速達到穩定，但由于電池自身垂直于液冷板方向的導熱系數較小，使得電池內部的熱量很難快速的傳遞到電池的頂部和底部，造成電池表面形成較大的溫差。

圖5 電池組最大溫差Fig.5 Maximum Difference Temperature of Battery Pack

3.2 導熱強化分析

傳熱學中指出，導熱熱阻越大表示該物體的導熱能力越差，因此想要降低單體電池在垂直于液冷板方向的溫差需要降低其導熱熱阻。考慮加入導熱片的方式來降低電池的整體導熱熱阻。考慮到雖然Z方向電池與導熱片接觸面積大于X方向，但由表1知電池在Z方向的導熱系數遠低于X方向，因此擬定將導熱片均勻布置在電池側向（X方向）來研究導熱片對電池組溫度分布的影響，如圖6所示。

圖6 導熱強化方案示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Thermal Conductivity Enhancement Scheme

在忽略電池與外界的對流換熱及輻射換熱的影響下，電池與導熱片間的導熱形式屬于并聯導熱形式，二者總的導熱熱阻Rw可表示為：

式中：λB、λTCE—電池和導熱片的導熱系數；AB、ATCE—電池和導熱片與液冷板的接觸面積。

在導熱材料方面，采用鋁、石墨片兩種導熱片進行對比分析。兩種導熱片的物性參數，如表2所示。

表2 導熱片物性參數Tab.2 Thermophysical Parameters of Heat Conductor

3.2.1 導熱強化方案對動力電池熱分布的影響

采用導熱片厚度為0.5mm時，保持基本工況條件不變，對未加導熱片的正方形截面流道液冷板方案，導熱強化-鋁片方案，導熱強化-石墨片方案的仿真結果進行分析，三種方案下電池組溫度云圖，如圖6所示。對比圖7（b）、圖7（c）與圖7（a）可知，加入導熱片后，電池組的溫度均勻性得到改善。未加導熱片時，電池組單體電池間最大溫差為5.233K，加入鋁片和石墨片的導熱強化方案下，電池組單體電池間最大溫差分別為4.687K和4.194K，石墨片對電池組溫度均勻性的改善優于鋁片。另外在最高溫度控制方面，導熱強化方案中，鋁片方案與石墨片方案的電池組最高溫度分別為311.85K和311.445K，相比未加導熱片時，僅分別降低了0.106K和0.511K，最高溫度下降不明顯。綜上可知，導熱強化方案可有效改善單體電池間的溫度均勻性，但對電池組的整體降溫效果影響不大。

圖7 電池組溫度云圖Fig.7 Battery Pack Temperature Map

3.2.2 導熱片厚度對動力電池熱分布的影響

在基本工況條件下，分別采用0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm幾種厚度的鋁片和石墨片進行仿真計算，對比分析導熱強化方案中導熱片厚度對電池組溫度分布的影響。

由圖8可知，隨著導熱片厚度的增加，鋁板方案和石墨片方案中電池組最高溫度下降均不到1K，相對電池組整體溫度而言，下降幅度不明顯。從溫度均勻性角度分析，由圖9可知隨著導熱片厚度的逐漸增加，電池組溫差逐漸減小，溫度均勻性逐漸增強，其中導熱強化-石墨片方案的表現更優，分析其原因為導熱片與液冷板的接觸面積很小，在不提高接觸面積的基礎上，鋁的導熱系數對熱阻的貢獻較小，而石墨片在垂直液冷板方向的導熱系數遠大與鋁，對該方向的貢獻比鋁強。另外，由表2知石墨片密度比鋁片小，在同等厚度時，石墨片方案的整體重量輕于鋁片，因此采用導熱強化-石墨片方案更有利于提高溫度均勻性。

圖8 電池組最高溫度Fig.8 Maximum Temperature of Battery Pack

圖9 電池組溫差Fig.9 Maximum Difference Temperature of Battery Pack

4 結論

通過仿真實驗分析，得出如下結論：（1）在水力直徑相同的情況下，隨著冷卻液入口流量的增加，正方形截面流道較圓形截面流道可更好的降低動力電池組溫度，且正方形截面流道的壓降更小，但在對電池組溫均效果的影響方面，正方形流道略低于圓形流道。（2）導熱強化方案可有效改善電池組溫均性，但其對電池組最高溫度的影響不大。其中，石墨片導熱強化方案對溫度均勻性的影響明顯優于鋁片，同時考慮到石墨片密度小于鋁片，因此在實際工程應用中，選用石墨材料來提高電池表面的溫度均勻性的方案更優。