基于AMESim的鋰離子電池組水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

劉科延

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車(chē)學(xué)院，陜西 西安 710064）

近年來(lái)，新能源汽車(chē)發(fā)展迅速，鋰離子電池組因其比能量高、比功率大、充放電迅速可靠、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域。但鋰離子電池的壽命及安全性受其溫度影響較大。在純電動(dòng)汽車(chē)中，由于電池組是由許多小電池模塊組成的，每個(gè)電池模塊又是由多個(gè)單體電池串聯(lián)或并聯(lián)組成。在車(chē)內(nèi)密閉的空間內(nèi)，熱量的不斷累積會(huì)對(duì)電池組模塊中各單體電池的性能產(chǎn)生不同程度的影響，所以電池?zé)峁芾硪恢笔悄壳把芯康臒狳c(diǎn)。在鋰離子電池使用過(guò)程中，應(yīng)避免電池內(nèi)部溫度過(guò)高和溫差過(guò)大，其中電池的溫度范圍一般控制在20 ℃～40 ℃，最大溫差不超過(guò)5 ℃。

電池冷卻根據(jù)冷卻方式不同一般分為風(fēng)冷、液冷以及相變冷卻。液冷散熱作為一種高效的冷卻技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)上。根據(jù)形式不同分為接觸式和非接觸式。本文選用非接觸式的液冷散熱，通過(guò)AMESim軟件搭建電池組液冷散熱系統(tǒng)一維仿真模型，以電池溫度為管理目標(biāo)，設(shè)計(jì)搭建不同冷卻液流道結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析不同流道的冷卻效果，得到相對(duì)較好的冷卻方案。

1 流道布置及AMESim仿真

1.1 流道布置方案

在鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)中，電池的大部分熱量都只能通過(guò)冷卻介質(zhì)散發(fā)出去，所以合理的冷卻流道布置至關(guān)重要。好的流道結(jié)構(gòu)對(duì)于改善冷卻系統(tǒng)散熱效果有顯著的影響，為了探究影響流道散熱效果的因素以及得到較好的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本文選取36個(gè)18650電池單體為研究對(duì)象，其空間位置按照6行6列排布，冷卻管道穿插在鋰離子電池之間。設(shè)計(jì)如下四種流道布置，如圖1所示。

圖1 不同的流道布置形式

1.2 AMESim模型搭建

AMESim 軟件是一款多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，其中擁有各種應(yīng)用庫(kù)，可以滿(mǎn)足各領(lǐng)域仿真需求。用戶(hù)可根據(jù)需求調(diào)用相應(yīng)元件并設(shè)置所需參數(shù)，通過(guò)連接元件模型快速建立復(fù)雜的多領(lǐng)域系統(tǒng)模型。本文主要應(yīng)用 AMESim中的 Electric-Storage庫(kù)和 Thermal庫(kù)建立電池的電特性和熱特性，并結(jié)合Thermal Hydraulic庫(kù)建立冷卻液回路。

本文使用的是18650型號(hào)圓柱型鋰離子電池。在AMESim軟件中，單體電池的準(zhǔn)靜態(tài)子模型中包含的許多子模型已被電池測(cè)試設(shè)備標(biāo)定和驗(yàn)證，本次選用自定義準(zhǔn)靜態(tài)子模型，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 單體電池參數(shù)

為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略單體電池與外部環(huán)境之間的自然對(duì)流及輻射換熱，各單體電池之間無(wú)接觸導(dǎo)熱，只考慮電池與流道之間的對(duì)流換熱。針對(duì)圖1所示流道結(jié)構(gòu)，在AMESim中分別建立對(duì)應(yīng)方案的電池組液冷系統(tǒng)一維仿真模型，圖 2為方案一的液冷散熱模型局部示圖。

圖2 方案一仿真模型局部示圖

1.3 仿真計(jì)算

鋰離子電池各參數(shù)如表 1所示，液體冷卻介質(zhì)選用 50%乙二醇溶液，電池初始溫度與冷卻液溫度為30 ℃，電池以1 C放電倍率放電，在仿真模式下設(shè)置仿真計(jì)算時(shí)間，仿真開(kāi)始時(shí)間為0 s，打印步長(zhǎng)為1 s，仿真時(shí)間為1 000 s。這里選取冷卻流道進(jìn)口與出口處的單體電池溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同流道布置方案進(jìn)出口處電池溫度變化曲線

2 結(jié)果分析

由圖 3可以看出，鋰離子電池不同冷卻管道結(jié)構(gòu)的電池溫度隨時(shí)間的變化曲線大致相同。隨著電池的不斷放電，電池溫度升高，電池放電初期溫度迅速升高，通過(guò)冷卻介質(zhì)的冷卻后溫度逐漸穩(wěn)定下來(lái)。冷卻介質(zhì)與電池的熱對(duì)流，沿著冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向逐漸積累熱量，介質(zhì)的溫度隨之上升，從而造成流道下游的換熱效率下降。因此，電池的溫度沿冷卻流道方向上升，電池組內(nèi)單體電池的最高和最低溫度分別位于流道的進(jìn)口和出口，靠近流道進(jìn)口方向的單體電池受冷卻效果較好且溫度較低，出口方向的電池溫度則較高。

為了進(jìn)一步分析各結(jié)構(gòu)的冷卻效果，現(xiàn)提取各流道布置下電池組內(nèi)單體電池的最高、最低溫度以及溫差數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

表2 不同流道布置溫度表

結(jié)合表 2可知，不同的流道結(jié)構(gòu)對(duì)鋰離子電池組冷卻效果以及單體電池溫度分布影響較大。方案一的冷卻流道布置間隔較大，由于距離冷板較遠(yuǎn)，流道之間的電池單體溫度較高；流道出口處電池溫度遠(yuǎn)高于出口處電池溫度，這是由于沿著流道方向，冷卻液的溫度因吸收電池?zé)崃慷撸鞯莱隹谔庪姵氐臏囟扰c冷卻液溫差減小，冷卻效果變差。該方案的電池組單體電池之間溫差較大，難以滿(mǎn)足溫度控制的要求。

方案二使用支路設(shè)計(jì)，由于進(jìn)出口設(shè)置在同一側(cè)，導(dǎo)致各支路的分流不均勻，造成冷卻液流動(dòng)受阻而使局部溫度過(guò)高，靠近出口處的電池溫度較高，電池組溫差較大，無(wú)法達(dá)到電池組溫度控制要求。

方案三相較于方案二，將出口調(diào)整至另外一側(cè)，通過(guò)改變流向來(lái)使流道各支路的冷卻液流動(dòng)狀態(tài)更加均勻，部分改善了出口處的電池溫度，電池組的最高溫度有所下降，但是電池組各單體電池之間的溫度分布均勻性依舊比較差。可見(jiàn)，改變冷卻液流道各支路分流及進(jìn)出口的位置，能夠改善電池組冷卻系統(tǒng)的散熱效果。

與方案一相比，方案四通過(guò)增加冷卻流道的數(shù)量，在電池組每行的間隔之間布置冷卻液流道，從而提高冷卻流道的密度，增加了流道與電池組的有效冷卻面積，改善了冷卻效果，較低了電池組的最高溫度。由于流道分布均勻且與電池組接觸面積增加，電池組單體電池的平均溫度與溫差降低，改善了電池組的溫度均勻性。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，方案四的冷卻性能最好，因此流道與電池組之間的接觸面積對(duì)電池組內(nèi)部溫度的影響較大。

3 總結(jié)

本文基于AMESim快速建立了鋰離子電池組液冷散熱系統(tǒng)的一維仿真模型，并研究了不同的流道結(jié)構(gòu)下鋰離子電池組的溫升及溫度分布情況。結(jié)果顯示，不同的流道進(jìn)出口位置及支路分流，電池組的溫度分布差異較大。流道進(jìn)出口位置處于相反方向能夠改善冷卻液流動(dòng)的均勻性，降低電池組的最高溫度。同時(shí)，增加流道密度和有效接觸面積能夠顯著改善電池組最高溫度及溫度均勻性，降低單體電池之間的溫差。本文比較分析了四種不同流道結(jié)構(gòu)下鋰離子電池組放電時(shí)的冷卻效果，其中方案四有最佳冷卻效果，為鋰離子電池組熱管理方案設(shè)計(jì)提供重要參考。