電動汽車動力電池的結構散熱分析

李冰林

摘 要：電動汽車的動力電池組的結構布局設計會影響其散熱均勻性。論文針對40個呈5×8排列的動力電池組散熱結構布局進行設計，并建立了其液冷仿真模型，對比研究串聯、并聯兩種液冷散熱方式的散熱效果，結果表明，所提出的混聯式的方案，均比串聯、并聯布局時相應的值都要小，說明該形式能有效提高電池組的散熱效果，改善熱均勻性。最后通過對比三種不同的混聯方式，得出方式一的混聯形式的散熱效果要優于另外兩種混聯形式，為動力電池的液冷布局方式提供了參考。

關鍵詞：鋰電池; 散熱結構布局; 液冷; 混聯

中圖分類號：U469.72+2? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-3315（2021）9-163-002

鋰電池由于具有較高的能量密度、自放電低等特點，作為電動汽車的動力電池具有優勢，但溫度是影響電池性能的關鍵因素，溫度過高容易導致熱失控，造成大的安全事故[1]。因此，散熱系統的設計對改善電池組的最佳工作溫度范圍，減小內部單體電池之間的溫度差，保障動力電池的安全運行至關重要。當前動力電池冷卻通常采用空氣冷卻、液體冷卻、PCM冷卻及熱管冷卻[2]。液冷由于介質的比熱容和導熱系數大于空氣，換熱效率要優于空氣冷卻系統，是電池散熱的主要方式之一。當前，采用液冷方式的研究主要集中在散熱結構、傳熱介質以及采用冷卻液體和相變材料結合等方面的研究[3][4]。還有通過空調的方式對電池組進行熱管理的方式來保障電池的穩定安全運行[4]。然而在液冷散熱結構布局的聯接方式對比上，研究報道較少[1]。

為此本文主要針對電池組的液冷內部液流循環方式進行研究，提出幾種不同液冷散熱結構布局方式，分析在同樣的工作環境下，對比研究各循環通路的結構布局方式對散熱效果的影響，為系統設計提供參考。

1.散熱結構布局方式的設計

鋰電池的熱量產生通常被認為包括：反應熱，極化熱，副反應熱，焦耳熱。主動式液冷系統換熱方式中，串聯方式液冷回路過長，后端電池達不到很好的散熱效果;而并聯的方式也是在多支路后期溫度過于集中，散熱效果會打折扣。

為了能提高電池組的散熱效果，本文采用一種串聯和并聯相結合的混聯方式對5×8的電池進行散熱效果的研究。其結構原理如圖1所示，冷卻液由泵帶動，吸收電池熱量，流經散熱器，通過散熱器向外散熱，使冷卻液溫度降低，再次通過泵流過電池組，如此往復循環。混聯的形式可以根據電池組散熱通道進行不同的連接形式，本文所設計中的5×8的電池組形式具有6路的電池組散熱通道，混聯形式有，方式一：三路并聯再進行串聯，如圖1中a）所示，方式二：兩路之間并聯再進行串聯，如圖1中b）所示，方式三：交錯串聯再并聯，如圖1中c）所示。

2.基于AMESim的電池組系統建模

AMESim提供了熱流體庫、冷卻系統庫等專業庫，能實現對車輛熱管理系統建模。引入AMESim建立電池組的水冷形式仿真模型，并進行動態仿真，有利于縮短開發周期和節約實驗費用。

電池組的仿真模型（混聯方式一）如圖2所示，該模型中包含5×8個電池，6路冷卻通道，模型中還包含了熱容量模塊和熱交換模塊。

3.液冷系統仿真結果分析

定義仿真時間為5000s，電池組液冷卻系統的電池組在±30.769A恒定充放電電流下工作。仿真模型中具體參數如表一所示;

3.1并聯、串聯和混聯散熱效果分析

當多個電池成一個電池組后，邊緣區域電池的熱交換條件比中間區域的要好，電池組溫度場并不是單體電池溫度場的簡單疊加。因此必須對電池散熱的均勻性進行研究，將每一組數據的最終電池溫度計算器均方差，計算方式如式（1）所示。

式中，為平均溫度值，Xi代表第i電池的溫度。

表二為串聯、并聯和混聯（方式一）的仿真結果。通過對比混聯的形式的最高溫度，以及最高與最低溫度之間的溫差，總體方差都處于較小值，所以這種連接的散熱方式效果最佳。這三種環境溫度下所選的兩個電池的最大溫差分別為6.45℃、7.32℃和4.07℃。由于最適宜磷酸鐵鋰離子電池的工作區間20℃至50℃，溫差不超過5℃為最佳，5-10℃可以接受。由此可知串聯和并聯的方式對電池單體溫度的一致性控制散熱效果沒有混聯方式好，整體電池組的散熱性能不及混聯方式。

表二 串聯、并聯和混聯方式對比

3.2混聯的三種形式散熱效果分析

為進一步探討不同的混聯形式對電池散熱效果，分別對圖1中三種混聯形式進行對比，采集第三行、第四列和第八列，以及每種混聯形式的電池的最高溫度，最低溫度，及溫度的總體方差進行對比。如表三所示，混聯方式一電池溫升最小，最高溫度為38.342℃，低于其他兩種方式。混聯方式一、二、三電池最大溫差分別為4.07℃、6.8℃和8.48℃，總體方差對比也是方式一最小，可知混聯方式一對電池單體溫度的均勻性最好，散熱效果佳，提高了整體電池組的性能。

表三 三種混聯方式散熱對比

因此，使用方式一的混聯冷卻回路的液冷系統，減少單條冷卻支路上的電池個數，使冷卻更均勻，達到減少電池間溫差過大的目的。

4.結論

論文建立了電池組的熱仿真模型，針對電池組的散熱方式提出了一種采用混聯的散熱方法，獲得以下結論：

4.1通過對比混聯形式，從電池的最高溫度、最大溫差、以及溫度方差值等方面都要優于串聯、并聯兩種形式的散熱系統設計。

4.2對三種不同混聯的形式方法進行了散熱效果的對比分析，得出方式一的散熱效果要優于另外兩種混聯的方式。

參考文獻：

[1]張劍波，盧蘭光，李哲.車用動力電池系統的關鍵技術與學科前沿[J]汽車安全與節能學報，2012，3（02）：87-104

[2] Rao Z ， Wang S . A review of power battery thermal energy management[J]renewable & sustainable energy reviews， 2011， 15（9）：4554-4571

[3]薛超坦.基于液冷的純電動汽車鋰電池熱管理研究[D]吉林大學，2017

[4]張浩，羅志民，宋韓龍，等.電動車動力鋰離子電池水冷系統研究[J]汽車實用技術，2017（6）：47-50

[5]何賢，胡靜，蘇健，錢程，沙海建.動力電池液冷系統設計與試驗研究[J]制冷與空調，2019，19（09）：22-27+31