電動汽車用鋰電池風冷液冷一體散熱系統設計

白曉天，郭志軍

(河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽 471000)

2013—2018 年全國汽車保有量及其污染物排放量呈直線上升的趨勢，傳統汽車給環境帶來的危害日益加劇，我們迫切需要一種新型無污染的汽車來替代傳統汽車，新能源汽車便應運而生，從2010 年的8 159 輛到2018 年的125.6 萬輛可以看出，新能源汽車已經融入了我們的生活。雖然其節能環保給自然帶來了便利，但是還存在一些安全隱患。2019 年4月份特斯拉發生自燃事件；2020 年4 月份蔚來ES8 分別在西安、上海、武漢三座城市發生著火事件，此款車輛的召回比例高達27.37%；同年8 月份北汽新能源汽車在充電的時候發生爆炸。主要原因就是電池組在工作時溫度急劇升高，引起電池鼓脹破裂，最后失火。所以電動汽車擁有一個良好的散熱系統，及時將電池組堆積的熱量排放出去至關重要。

鋰離子電池因為具有電壓高、比能量高、充放電壽命長等優點被廣泛用在電動汽車上，目前常用的鋰離子電池組的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻和熱管冷卻。空氣冷卻結構簡單，成本較小但是效率低下，適合用在小型對散熱要求不高的電動汽車上；液體冷卻結構復雜、成本昂貴但是冷卻效果好；相變冷卻和熱管冷卻造價太高并且技術不是很成熟，所以還沒有得到廣泛應用。

本文主要針對某純電動汽車的鋰離子電池組進行散熱系統的設計分析，采用“雙冷卻室”風冷液冷一體化的散熱方式。通過Catia 建立散熱系統的模型，再用ABAQUS 對電池組散熱進行模擬數值分析，改變不同的環境溫度，使得在各種情況下都能將電池組的溫度控制在合理的范圍內。

1 鋰離子電池的產熱特性

鋰離子電池組在充放電過程中，產生的熱量主要包括反應熱Qr、極化內阻熱Qj、歐姆內阻熱Qo、副反映熱Qy。

根據能量守恒定律，微元體的熱平衡滿足如下條件：導入微元體的總熱流量+微元體內熱源的生成熱=微元體內能的增量+導出微元體的總熱流量[1]。

根據傅里葉定律，可以得知導入和導出微元體的總熱流量可以分解成x、y、z三個方向的分熱流量，如圖1 所示。

圖1 分流熱量示意圖

依據傅里葉定律，通過x、y、z三個表面的導入微元體的熱量如下：

同理可得，通過x+dx、y+dy、z+dz三個表面的導出微元體的熱量如下：

微元體的內能增量為:

式中：ρ 為密度；c為比熱容；t為時間。

設單位體積內熱源的生成熱為q，那么微元體內熱源的生成熱為：

最后根據微元體的熱平衡條件得出單體電池內部生熱的導熱微分方程在直角坐標系下的三維非穩態傳熱模型為：

2 散熱系統模型的建立

2.1 散熱系統幾何模型

散熱系統的三維模型如圖2 所示，等軸圖中從上向下依次為散熱風扇組、導熱鋁板、冷卻管套板、冷卻管道、電池本體。散熱風扇組由6 個獨立工作的風扇組成，可以根據不同的工況開啟不同的個數。散熱管道出口連接暫存室，入口連接冷卻室，與電池本體之間通過硅膠連接。

圖2 散熱系統三維模型圖

新型雙冷卻室和單冷卻室散熱系統的工作原理示意圖如圖3 所示。圖3(a)中，已經吸收過電池本體熱量的冷卻液流入暫存室，同時冷卻室已經冷卻后的冷卻液流入冷卻管道，對電池本體降溫。此時暫存室的冷卻液進入冷卻室冷卻，等待下一個循環的使用，這樣既可以保證冷卻液的低溫性，又能提高整個冷卻管道冷卻液的均溫性，避免單個冷卻室系統中即將進入冷卻室的冷卻液和剛流出冷卻室的冷卻液之間溫差較大的問題。如果冷卻液溫差較大將直接造成電池組放電時溫差較大，還會加劇熱輻射的不均勻性，進一步對電池組溫差產生影響。

圖3 散熱系統示意圖

2.2 散熱系統材料物性參數

因為電池的內部結構非常復雜，含有的材料非常繁多，無法準確建立與實際電池組完全一樣的模型，所以需要對模型進行簡化并做出以下的假設[2]：(1)電池內部物質發熱均勻，忽略正負極；(2)電池內部各向同性，物理性質相同；(3)電池比熱容、導熱系數為常數，不考慮塑性變形、膨脹率等因素。本文采用的電池組模型為三個并列分布的電池單體，每個電池單體的尺寸為200 mm×120 mm×60 mm，電池單體之間的間距為30 mm。因為在整個仿真分析過程中，需要考慮電池組的瞬態響應，所以還需要各種材料的密度參數。通過加權平均法計算之后，得到各種材料的物性參數如表1 所示。

表1 材料物性參數

因為上文假設電池內部各向同性，所以電池的導熱系數在各個方向統一取2.75 W/(m·K)。電池輻射產生的熱量也不能忽視[3]，輻射率取0.8。

3 仿真分析與討論

3.1 模型仿真

散熱系統的空氣流域是由6 個風扇組成的，在仿真的時候，將風扇提供的空氣流域用穩定的風速代替，通過在電池組上施加空氣強制對流區域來實現，空氣強制對流換熱系數取200 W/(m2·K)；同樣的，冷卻液提供的液體流域用穩定的液體流速代替，通過在電池組上施加液體強制對流區域來實現，新型“雙冷卻室”散熱系統的液體強制對流區域是均勻的；傳統“單冷卻室”散熱系統的液體強制對流區域是非均勻性的，水的強制對流換熱系數取3 000 W/(m2·K)。流道入口的速度設置為0.03 m/s;冷卻液的入口溫度設置為298.15 K；電池的輻射率設置為0.8。

網格劃分的單元形狀采用六面體，控制屬性設為結構，幾何階次使用線性。為了提高仿真的準確性和運算效率[4]，網格數量設置為3×30×70×150=945 000 個，網格的具體分布如圖4 所示。

圖4 電池組網格分布圖

為了驗證新型“雙冷卻室”散熱系統的散熱效果是否得到提高，在ABAQUS 仿真平臺上與傳統“單冷卻室”散熱系統進行對照實驗[5]。在上述邊界條件都設置相同的情況下，對比兩種散熱系統在電池組1C充放電倍率下對電池散熱性能的影響，主要是對電池組最高溫度和最大溫差的影響。為了實驗的科學性和合理性，分別在環境溫度為305、308、311、315 K 下作對照實驗。圖5 為傳統“單冷卻室”散熱系統在環境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時電池的溫度場云圖；圖6 為新型“雙冷卻室”散熱系統在環境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時電池的溫度場云圖。

圖5 傳統“單冷卻室”散熱系統電池的溫度場云圖

圖6 新型“雙冷卻室”散熱系統電池的溫度場云圖

3.2 仿真結果討論

為了更加直觀地看出兩種散熱系統對電池組最高溫度和最大溫差的影響[6]，將云圖中的數據整理到表格中，見表2。

表2 兩種散熱系統下電池組的最高溫度和最大溫差 K

從表2 可以看出，在環境溫度為305、308、311、315 K 時，新型散熱系統中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統散熱系統的低，說明新型散熱系統的冷卻性能和均溫性都得到了優化改善。這是因為冷卻室中流入冷卻管道的冷卻液溫度基本都是相同的，將冷卻室冷卻后的低溫冷卻液和散熱管道中流出來的吸收過電池組熱量的高溫冷卻液完全分離開來了。從溫度場云圖中可以看出，傳統散熱系統中電池組的最高溫度在遠離冷卻管入口位置的電池單體上，這是因為單冷卻室不能及時將冷卻液的溫度降下來，并且越遠離冷卻室的位置冷卻液溫度越高，就導致了這種現象，和預期結果一致。

為了進一步直觀地看出兩種散熱系統隨著環境溫度的改變，對電池組最高溫度和最大溫差的影響[7]，繪制圖7、圖8兩個折線圖。圖7 是兩種散熱系統在不同環境溫度下電池組的最高溫度；圖8 是兩種散熱系統在不同環境溫度下電池組的最大溫差。

圖7 電池組最高溫度

圖8 電池組最大溫差

從圖7 可以看出，隨著環境溫度的增加，兩種散熱系統的最高溫度都在增加，但是降溫幅度增加，新型散熱系統電池組的最高溫度卻一直低于傳統散熱系統。圖8 顯示，隨著環境溫度的增加，兩種散熱系統的最大溫差都在緩慢下降；新型散熱系統電池組的最大溫差一直低于傳統散熱系統的；環境溫度為305 K 時，新型散熱系統電池組的最大溫差為5.03 K；環境溫度為315 K 時，新型散熱系統電池組的最大溫差僅為1.5 K，完全滿足使用要求[8]。

4 實驗驗證

為了驗證本設計中三維模型的可行性，對其進行實驗驗證，借助單片機在電路板上搭設小型實驗模型，通過單片機控制系統的運行。實驗設備主要包括散熱風扇、散熱鋁板、水冷裝置、溫度計、溫度傳感器等等，具體如圖9 所示。

圖9 實驗設備

對應仿真分析的四組情況，設置環境溫度分別為305、308、311、315 K，測定對應環境溫度下電池組的最高溫度和最大溫差，并與ABAQUS 仿真的結果進行比較，分析誤差，對比分析結果見表3。

表3 實驗與仿真對比分析

因為仿真結果和實驗結果中的最高溫度數據比較大，為了更加客觀地分析他們之間的誤差，這里采用相對誤差；同樣的，因為最大溫差的數據比較小，所以這里采用絕對誤差。從表格中可以直觀地看出，仿真結果和實驗結果的誤差都很小，可以驗證該模型的正確性。

5 總結

本文通過仿真分析和實驗驗證的方法，對傳統、新型散熱系統進行對照實驗，分析在不同環境溫度下，兩種散熱系統對電池組最高溫度和最大溫差的影響，得到以下結論：

(1)在其他條件相同的情況下，隨著環境溫度的變化，新型散熱系統中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統散熱系統的低，新型散熱系統可以有效改善電池組的散熱性能；

(2)隨著環境溫度的降低，電池組的最高溫度降低，在低溫環境下應該減少風扇的工作個數和降低冷卻液的流速以提高經濟性；

(3)隨著環境溫度的降低，電池組的最大溫差增加，可以考慮通過改變冷卻管道的結構形狀、布置部位來降低最大溫差。