基于雙進(jìn)雙出流徑液冷系統(tǒng)散熱的電池模塊熱特性分析

徐曉明 趙又群

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

0 引言

電池作為電動汽車主要儲能元件，是電動汽車的關(guān)鍵部件［1-2］，直接影響到電動汽車的性能。很多學(xué)者已經(jīng)開展了電池組熱管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作［3-8］。電池組熱管理的冷卻方式按照傳熱介質(zhì)分為空氣冷卻、液體冷卻（油冷）和相變材料冷卻。影響電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱性能的因素有很多，包括發(fā)熱功率、電池形狀、冷媒類型、冷媒流速、流道厚度等［9-10］，因此，需要根據(jù)實際情況選擇合理的冷卻方式。

液體冷卻（液冷）是一種利用導(dǎo)熱率相對較高的流體作為導(dǎo)熱媒介來給電池組散熱的冷卻方式，冷板液冷方式是電池組系統(tǒng)冷卻散熱的一個重要研究方向。采用冷板散熱的效果一般比對流換熱要好［11］，在模塊間使用冷板可改善換熱效率及模塊間溫度的均勻性，可以根據(jù)實際情況設(shè)計冷板的尺寸和形狀［12］。用高導(dǎo)熱材料直接貼在物體表面，能夠很好地強(qiáng)化局部散熱，但會導(dǎo)致成本增加，該材料可以使用在重點生熱區(qū)。

電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的研究方法有很多，如試驗、仿真［13-15］和理論計算等，本文選取雙進(jìn)雙出流徑液冷系統(tǒng)作為研究對象，采用試驗的方法，對2并12串的電池模塊熱特性進(jìn)行分析。

1 液冷試驗系統(tǒng)和充放電過程

1.1 液冷試驗系統(tǒng)總成及測溫點布置

圖1所示為液冷試驗系統(tǒng)總成，冷卻液循環(huán)路徑如下：水泵-壓力表-流量計-散熱器-壓力表-水冷板-壓力表-閥門-水槽-壓力表-水泵，試驗時選用去離子水作為冷卻液。由于水泵在運行時溫度較高，故安放在水槽上面，以降低水泵溫度。搭建液冷試驗系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)充分考慮系統(tǒng)漏液和過壓，同時還要考慮進(jìn)液流量的穩(wěn)定性。

圖1 基于液冷系統(tǒng)散熱的單模塊電池組系統(tǒng)總成

電池標(biāo)準(zhǔn)模塊由55Ah單體電池通過1mm厚的銅鍍鎳跨接片2并12串組合而成，測溫點布置如圖2所示。

圖2 電池標(biāo)準(zhǔn)模塊測溫點布置

1.2 雙進(jìn)雙出流徑水冷板

圖3為雙進(jìn)雙出流徑水冷板流道示意圖，冷卻液從外側(cè)的兩個口進(jìn)入，流經(jīng)三條并排的進(jìn)液通道，經(jīng)底部擋板折回，再流經(jīng)三條并排的出液通道，最后從外側(cè)的另外兩個出口流出。

圖3 雙進(jìn)雙出流徑水冷板流道示意圖

1.3 1C100%SOC三個充放電循環(huán)過程

試驗過程為1C100%SOC三個充放電循環(huán)，起始狀態(tài)為電池滿電，循環(huán)過程如下：①恒流放電，電流110A，當(dāng)任一單體電壓達(dá)到2.5V時截止；②擱置10min；③恒流恒壓充電，電流110A，當(dāng)任何一單體電壓達(dá)到3.65V時轉(zhuǎn)恒壓充電，截止電流5.5A；④擱置10min；⑤循環(huán)①～④三次；⑥結(jié)束。

1.4 液冷系統(tǒng)散熱性能目標(biāo)

評估電池組冷卻系統(tǒng)散熱性能的指標(biāo)主要有電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差（定義電池組最高溫度與環(huán)境溫度之差為電池組最高溫升，電池組最高溫度與最低溫度之差為內(nèi)部最大溫差），若電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差較小，則散熱性能優(yōu)越。液冷系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)如下：電池組最高溫升小于10℃，內(nèi)部最大溫差小于5℃。

2 室溫下不同進(jìn)液流量散熱性能分析

圖4所示為室溫（27℃）下進(jìn)液流量f＝450L／h時各監(jiān)測點溫度曲線，可以看出，12號電池單體上部溫度最高，為31.31℃；24號電池單體下部溫度最低，為28.66℃。各監(jiān)測點溫度曲線的峰值分別位于各循環(huán)充電或放電結(jié)束時刻，且隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，充電或放電結(jié)束時刻的溫度也相應(yīng)提高；波谷位于擱置結(jié)束時刻，同樣隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，擱置結(jié)束時刻的溫度也提高，因此最后一個充放電循環(huán)的溫度變化對電池最終的熱狀態(tài)影響較大。

圖4 室溫下各監(jiān)測點溫度曲線（f＝450L／h）

圖5所示為室溫下進(jìn)液流量f＝450L／h時液冷系統(tǒng)電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線，曲線波峰同樣位于各循環(huán)充電或放電結(jié)束時刻，波谷位于擱置結(jié)束時刻。

5 室溫下電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線（f＝450L／h）

表1所示為室溫下不同進(jìn)液流量時的電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差，可見，液冷系統(tǒng)散熱性能并不隨進(jìn)液流量的增大而改善，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差與進(jìn)液流量不成線性關(guān)系。進(jìn)液流量f從350L／h增大到450L／h，散熱性能得到改善；進(jìn)液流量f 從450L／h增大到500L／h，散熱性能逐步變差；在各進(jìn)液流量下，液冷系統(tǒng)散熱性能均符合目標(biāo)要求。室溫下，液冷系統(tǒng)散熱性能最差時的進(jìn)液流量為350L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.49℃，內(nèi)部最大溫差為3.39℃；滿足液冷系統(tǒng)最佳散熱性能的進(jìn)液流量為450L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.13℃，內(nèi)部最大溫差為3.10℃，分別比進(jìn)液流量為350L／h時降低了6.6%和8.6%。

表1 室溫下不同進(jìn)液流量時的電池模塊溫度數(shù)據(jù)

3 室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進(jìn)液流量不同時的散熱性能分析

圖6所示為室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進(jìn)液流量不同時的各監(jiān)測點溫度曲線，可以看出，12號電池單體上部溫度最高，為30.30℃；24號電池單體下部溫度最低，為28.22℃。圖7所示為電池模塊中部間隙增大4mm、進(jìn)液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線，可以看出，電池模塊最高溫升為4.35℃，內(nèi)部最大溫差為2.16℃，與原電池模塊相比，電池模塊最高溫升降低了15.2%，內(nèi)部最大溫差降低了30.3%。

圖6 室溫下中部間隙增大4mm且進(jìn)液流量不同時的各監(jiān)測點溫度曲線

圖7 450L／h進(jìn)液流量下電池模塊中部間隙增大4mm時電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

表2所示為室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進(jìn)液流量不同時的電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差，可見，電池模塊中部間隙增大4mm時，液冷系統(tǒng)的散熱性能同樣不是隨著進(jìn)液流量的增大而改善的，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差與進(jìn)液流量也不是線性變化關(guān)系；在各進(jìn)液流量下，電池模塊中部間隙增大4mm時的液冷系統(tǒng)熱性能均符合目標(biāo)要求。電池模塊中部間隙增大4mm時，最差散熱性能的進(jìn)液流量為350L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.41℃，內(nèi)部最大溫差為2.97℃；滿足最佳散熱性能的進(jìn)液流量為450L／h，此時，電池模塊最高溫升為4.35℃，內(nèi)部最大溫差為2.16℃，分別比進(jìn)液流量為350L／h時降低了19.6%和27.3%。由上述分析可知，在滿足電池模塊擺放空間尺寸的情況下，增大電池模塊中部間隙，可以較好地改善液冷系統(tǒng)散熱性能。

表2 室溫下中部間隙增大4mm且進(jìn)液流量不同時的電池模塊溫度數(shù)據(jù)

4 不同環(huán)境溫度下散熱性能分析

4.1 35℃環(huán)境溫度下散熱性能分析

圖8所示為35℃環(huán)境溫度下進(jìn)液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線。與室溫（27℃）下相比，電池模塊內(nèi)部溫差曲線在較高的溫差范圍（3～5℃）內(nèi)波動，且變化較為平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性都比較差；與27℃環(huán)境溫度時相比，電池模塊最高溫升降低了34.5%，內(nèi)部最大溫差反而升高了53.2%，可見隨著環(huán)境溫度的升高，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變差。

圖8 35℃環(huán)境溫度下進(jìn)液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

4.2 45℃環(huán)境溫度下散熱性能分析

圖9所示為45℃環(huán)境溫度下進(jìn)液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線。與35℃環(huán)境溫度下相比，電池模塊最高溫升降低了62.6%，內(nèi)部最大溫差反而升高了90.7%，電池模塊內(nèi)部溫差曲線在更大的溫差范圍（7～9℃）內(nèi)波動，且變化更趨于平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變得更差，故在選擇冷卻液溫度時，并不是溫度越低就越有利于液冷系統(tǒng)散熱。

圖9 45℃環(huán)境溫度下進(jìn)液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

4.3 不同環(huán)境溫度下散熱性能比較

圖10所示為進(jìn)液流量f＝450L／h時不同環(huán)境溫度下電池模塊監(jiān)測位置最高溫度，可以看出，電池模塊上的4個監(jiān)測位置最高溫度隨著環(huán)境溫度的升高基本上呈線性變化，其中12號單體上部和13號單體上部最高溫度的增幅高于1號單體下部和24號單體下部最高溫度，可見環(huán)境溫度越高，液冷系統(tǒng)對電池模塊上部的散熱效果越好，對電池模塊底部的散熱效果越差。

圖10 進(jìn)液流量f＝450L／h時不同環(huán)境溫度下電池模塊監(jiān)測位置最高溫度

5 結(jié)論

（1）室溫下，電動汽車液冷系統(tǒng)的散熱性能并不是隨著進(jìn)液流量增大而改善的，而是呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢；進(jìn)液流量為450L／h時的電池模塊最高溫升為5.13℃，內(nèi)部最大溫差為3.10℃，滿足最佳液冷散熱要求；在各進(jìn)液流量下，液冷系統(tǒng)散熱性能均符合目標(biāo)要求。

（2）室溫下，電池模塊中部間隙增大4mm時的液冷系統(tǒng)散熱性能同樣不是隨著進(jìn)液流量增大而改善的；與原電池模塊相比，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差均有所降低，散熱性能提高，其中滿足最佳液冷散熱要求的進(jìn)液流量仍然為450L／h。

（3）與27℃環(huán)境溫度時相比，35℃環(huán)境溫度下電池模塊內(nèi)部溫差變大，可見冷卻液溫度過多地低于環(huán)境溫度并不一定會改善電動汽車液冷系統(tǒng)的散熱性能；與35℃環(huán)境溫度相比，45℃環(huán)境溫度下電池模塊內(nèi)部溫差曲線在更高的溫差范圍（7～9℃）內(nèi)波動，且變化也更趨于平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變得更差。

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