不同流道參數對風冷式動力電池組散熱的影響

馬瑞軍 張永龍

(凱博能源科技有限公司,江蘇 常熟 213200)

隨著電動汽車行業的發展,汽車的使用性能主要取決于各種動力電池的性能,但動力電池在工作時會產生大量的熱量使電池溫度升高,對動力電池的工作性能、安全性能、工作壽命都有極大的影響。電池組的溫升和最高溫度是影響電池組工作效率的關鍵因素,動力電池的溫度能夠維持在電池正常工作的溫度范圍內,對提高電動汽車性能、延長電池壽命有著非常重要的影響。為保證動力電池組穩定高效的工作,則需要獨立電池熱管理技術對電池組的溫度進行合理管控。

1 電池內熱源分析方法

電池在其工作過程中不可避免地會產生一定的熱量,這主要是因為它們有很多種產熱原因,例如:電化學反應熱、極化熱、歐姆內阻熱、電解液分解熱等等。如下式:

式中:Qt是電池總的發熱量,單位為W；Qr為電化學反應熱量,單位為W；Qj為歐姆產熱,單位為W；Qp為極化產熱,單位為W；Qs為副反應熱,單位為W。

由于鋰離子電池充放電過程是可逆化學反應,所以進行充放電的Qr在理論上是相同的；電池由于內阻的存在,必定產生熱量；鋰離子工作過程中只發生Li+和e-的移動,不消耗其他任何物質,所以副反應熱Qs為零。因此,鋰離子電池的總生熱量公式可改寫為:

當鋰離子電池的加熱溫度低于70℃時,電化學反應熱中的Qr極少,相對焦耳熱和化學極化熱的反應熱,僅僅只占1%左右;但是當加熱溫度超過70℃后,反應熱的持續增長速度就可能會隨之加快,成為鋰離子電池中剩余熱量的主要釋放來源。如果在整個電池內部加裝合理的熱效應管理控制系統,其內部反應熱及工作管理溫度遠低于70℃,認為整個電池的內部反應熱可以忽略不計。此外,副反應熱Qs相較于其它三個反應部分所作用產生的熱非常小,在能量計算中也可忽略不計。總的來說,鋰離子電池充、放電過程表現出明顯的放熱效應。

在分析過程中將18650 電池單體看作以恒定功率發熱的熱源,根據Bernardi 生熱速率模型計算產熱:

式中:q 是電池發熱量,單位:w/m3；Vc是單體電池體積,單位:m3；(E-Eavg)是電池工作電壓,單位:V。

2 不同流道對電池組溫度場的影響仿真分析

電池組由多個電池單體組成,與單個電池的散熱情況不同,電池組整體的發熱量很大,而且內部各個電池單體互相影響,使散熱性能和溫均性變差,為了改善風冷系統終各單體電池的溫均性,降低電池的最高溫度和平均溫度,提出了改變電池單體排列方式、增加隔板(不同影響因素:隔板間距比,間距,面積)、增加進風口,三種方式改變冷卻空氣在電池單體間的流動。

2.1 模型示意圖

18650 電池單體直徑為18mm,長為65mm,在考慮電池橫縱排列對電池組散熱效果的影響時,采用5X5 的排列方式,電池間距為2mm,縱向排列方式基本尺寸如圖1 所示,橫向排列方式基本尺寸如圖2 所示,橫向錯位排列方式基本尺寸如圖3 所示。

圖1 縱向排列方式

圖2 橫向排列方式

圖3 橫向錯位排列

2.2 排列方式對溫度場的影響

對比電池組橫排放置和電池組橫排錯位放置的溫度分布圖4 可知,橫排錯位放置電池組的方式在平均溫度、最大溫度方面都表現出比其他兩種放置方式更好的溫度分布。

2.3 隔板間距比例對溫度場的影響

由圖5 結果可知,當隔板間距比例為1:1 時電池組的最大溫度為33.5℃,最大溫差為6.5℃,平均溫度為30.75℃,此時,電池組的散熱效果達到最佳。可以得出結論,當兩個隔板之間的間距比相同時,整個電池盒內的氣流會更加均勻,整個電池散熱系統的散熱效果最佳。

圖5 隔板間距比例對溫度場的電池組溫度數據

2.4 隔板面積對溫度場的影響

從圖6 結果可知,隨著隔板面積的增加,電池組的最大溫差逐漸減小。當分隔區域增加以覆蓋3 個電池時,最大溫差為6.3℃。因此,可以得出結論,當電池組中的隔板的面積為遮擋3 個電池時,電池組之間的溫度均勻性最佳,并且隨著分隔面積的增加,電池組的最大溫差逐漸減小,變化趨勢明顯趨于平坦,甚至略有增加。

圖6 隔板面積對溫度場的電池組溫度數據

3 結論

本文主要研究不同流道參數對與風冷式動力電池散熱的影響,通過對其排列方式,使用擋板對電池箱中的空氣進行干擾增強電池箱中的空氣流動均勻性,降低了電池組的最高溫度和最大溫差,改善了電池組之間的溫度均勻性,并且提高了風冷電池散熱系統的散熱能力,通過分析諸如隔板之間的間距比,隔板之間的距離,隔板面積等因素來模擬和分析隨著隔板的添加而引起的電池溫度的變化。最后得出結論,當電池單體以橫排錯位方式排列,隔板之間的間距比為1:1,且面積為遮擋3 個電池時,整個風冷電池冷卻系統的冷卻效果最佳。