一種電動車鋰電池包熱管理系統的設計與分析

田甜

（廣州城市理工學院汽車與交通工程學院 廣東省廣州市 510800）

1 引言

鋰離子電池相對于目前市場上各類新能源汽車用動力電池而言，在循環壽命、工作電壓、環境友好性、自放電率、能量密度和功率密度等多方面上都更有優勢。但鋰離子電池的缺點是熱不穩定，因此需對電池進行熱管理措施，從而使電池工作處于適宜且合理的溫度范圍內，所以研究鋰電池有效可行的熱管理措施就顯得十分重要。

2 鋰離子電池生熱傳熱機理

鋰離子電池的原理是一種鋰離子濃差電池，充放電過程其實就是Li+在正負電極往返嵌入和脫離。由鋰電池生熱傳熱機理可以得到，溫度對鋰電池的可用容量比率、內阻、電解質、循環充放電次數、還有鋰電池的放電容量，都有著非常大的影響。因此，在設計電池包的時候，一定要著重考慮到熱管理系統。常見的動力電池散熱技術方案主要分為風冷、液冷、相變冷卻和熱管冷卻等。

3 鋰離子電池液冷熱管理模型的設計

電池包設計為 288V，72Ah，選擇20 個由30 并4 串的電池模組串聯形成電池包整體，即由30 個單體電池并聯形成一個并聯電池模組，然后將4 個并聯電池模組串聯形成一個電池模組，最后將20 個電池模組串聯組成電池包。

冷卻系統液冷管道設計為折彎與每排電池進行貼合，從而減少空氣間隙，增大接觸面積，提高散熱性能同時起到電池固定作用減少電池間碰撞，提高安全性能；管道通道為長方形單通道，但為確保冷卻效果，考慮增大液冷流量和流速，因此增大通道寬度和增加折彎處從而提高流速。

3.1 并聯電池模組排列及箱體設計

電池模組由4 個單體電池并聯模組串聯形成，并聯電池模組共由30 個單體18650 圓柱形鋰離子電池并聯排列組成，30 個電池分5 列間隙為25mm，每列6 個單體鋰離子電池，與箱體內壁間隙為15mm 和16mm，離管道入口的間隙為21.5mm，每列間隙圍繞著冷卻管道和導熱材料，并聯電池模組三維模型及電池箱體如圖1。

3.2 冷卻管道及導熱材料模型設計

液冷熱管理系統選用冷卻管道圍繞電池，橙色部分為冷卻管道，冷卻管道布置方案為：從入口管道開始管道圍繞每列電池進行曲折分布，做固定電池作用，同時也為增大接觸面積；為了更大的傳熱接觸面積以便達到更好的散熱效果，管道設計成扁長形，電池與管道之間布有導熱材料，即綠色部分所示，導熱材料的加入能更有效率地把電池產生的熱量傳遞到冷卻管道的接觸面上，這樣散熱效果更高效，為節省空間，出口管道與入口管道布置在同側。如圖2 所示。

4 液冷模型仿真分析

為確定設計的電池包液冷系統能有效工作，分析設計的液冷模型能否有效散熱，以確保設計方案的可行性，用Fluent 軟件對設計好的并聯電池模組和冷卻管道進行水路流和電池固體溫度場穩態耦合分析，確定其散熱有效性。

4.1 網格劃分

采用Fluent 自帶的Mesh 對設計好的并聯電池模組和冷卻管道等零件進行網格劃分如圖3。把在SCDM 簡化后的并聯電池模組和殼體以0.5mm～4mm 的尺寸導入Fluent Meshing，獲得高質量的CFD 表面網格，網格數量是223099，冷卻管道和導熱硅膠片網格數量是698218。

圖1：并聯電池模組及箱體三維模型

圖2：總裝配示意圖

圖3：模組和冷卻管道網格劃分

表1：模型物理參數

圖4：環境溫度298.15K 下的仿真結果

圖5：冷卻管道中冷卻液速度分布云圖

4.2 物理模型參數設置

網格劃分完成后的兩個模型進入solver 模式進行組裝，打開能量方程和湍流模型設置為標準的開氏度模式，把電池簡化成了一個圓柱體實體，得不同方向的導熱系數，以圓柱的軸線方向為X 方向。根據模型零件一一對其賦予材料設置如表1 所示。

4.3 設定邊界條件

設定電池能量源項，在1C 放電倍率的條件下，單體電池平均產熱功率為1.08W，模型初始化后可計算出30 個單體電池的總體積為0.0005243334m3，因此總生熱功率為30×1.08/0.0005243334=61792w/m3。

初步定義邊界條件冷卻管道入口速度為1m/s，溫度為25℃（298.15K），出口壓力為一個大氣壓；殼體表面設置為對流條件，環境溫度25℃（298.15K），換熱系數為5W/m2×k，其他壁面絕熱。

4.4 模型仿真結果與分析

設置好參數和條件后，定義100 步，最大迭代次數為10，然后進行計算。初設溫度為25℃，采用液冷方式對并聯電池模組的仿真結果如圖5 所示。

從分析圖可以看出，在25℃，放電倍率為1C 的條件下，管道環繞電池形式的液冷模型仿真結果顯示，總體最高溫度為308.5K，電池的最高溫度在306K 左右，有效最低溫度基本在301K 之間，溫差在5K 左右，仿真結果在電池合適的工作溫度范圍內。冷卻管道入口溫度最低，入口有效溫度在298.7K 左右，隨著管道流動的長度增加，溫度逐漸增加，在與電池連接的最末端，溫度基本在302.4K 左右，增長約3.7K。在電池末端，未能與冷卻管道進行曲面接觸的圓柱面溫度最高，冷卻管道和電池緊貼處散熱效果明顯；扁長形管道因能更大地與電池面接觸，因此整體溫度差別主要表現正負極處。

而在冷卻管道的速度云圖5 上，可以看出，冷卻液在管道拐彎處的拐點位置速度較快，在直角的拐點處，速度出現了增速，對管道內壁會造成一定沖擊；同時結合溫度云圖4(a)可以看到在拐點處電池的熱交換范圍有稍微的增加，電池的橫向溫差變小，因此可初步得出冷卻液流速增加對電池熱交換產生的溫差會較小，更有效地散熱，但是速度過大，對管道沖擊會增加，管道的可能會出現震動甚至破裂，而且若流速要增加則會對水泵功率要求會更高，能耗會增加。

5 結論

以18650 型鋰離子電池作為基礎對鋰離子電池的發熱和溫度分布進行分析并采用液冷散熱的電池技術進行研究其散熱效益，主要研究如下：

（1）以30 個單體18650 圓柱形鋰離子電池組成的電池小模組為研究對象，設計了一種電動汽車鋰電池包及液冷熱管理系統。

（2）以30 個單體組成的小模組、在每排電池兩側進行彎曲布置冷卻管道和導熱硅膠片的設計，并利用Fluent 分析軟件完成冷卻管道的流體傳熱分析，驗證了所設計的冷卻管道是合理的。

（3）在25℃，放電倍率為1C 的條件下，以電池模組中最高溫度和最大溫差為指標，對液冷熱管理系統冷卻管道的流速，流量和管道高度等進行仿真分析，得到設計的液冷散熱系統具有有效的冷卻效果，能夠有效合理地把控電池模組的理論適宜工作溫度區間在25℃-40℃，單體之間溫差不高于5℃。