電動汽車動力鋰電池散熱結構設計與冷卻系統仿真

陳星+吳媛媛

摘 要：鋰離子電池在很多方面的性能具有優點，因此其在電動汽車上得到了大量的運用。但如何將電池在使用過程中產生的大量熱量散發出去是一個無法回避的問題。如果電池溫升過高，不但會影響電池的使用性能和壽命，還可能引起安全問題。

關鍵詞：電動汽車；鋰電池；冷卻仿真

動力電池按照其應用分為能量型電池與功率型電池兩大類。能量型電池指以高能量密度為特點，主要用于高能量輸出的蓄電池。功率型電池指以高功率密度為特點，主要用于瞬間高功率輸出、輸入的蓄電池。實際這兩種電池并沒有嚴格意義上區分開。

一、鋰離子電池的優缺點分析

（一）動力鋰離子電池的主要優點

第一，荷電保持能力強。當環境溫度為（20±5）℃時，自放電率為（2%-10%）/月，長期使用經濟性好；第二，電壓高鋰離子電池的單節電壓為3.6v，而鎳氫電池只有1.2v；第三，環境污染低。在鋰離子電池中不含鎘、鉛和汞等有害物質，對環境較為友好；第四，安全性高。根據國家要求，車用鋰離子電池應具有抗針刺、抗擠壓、耐振動等特點；第五，體積小、重量輕、比能量高。通常鋰離子電池的比能量可達鎳鎘電池的1.5倍以上，有利于設備小型輕量化。

（二）動力鋰離子電池的主要缺點

第一，內部阻抗高。因為鋰離子電池的電解液為有機溶劑，其電導率比鎳鎘電池、鎳氫電池的水溶液電解液要低得多，所以其內部阻抗比鎳鎘、鎳氫電池大很多；第二，必須有特殊的保護電路，以防止其過充；第三，成本高；第四，與普通電池的相容性差。

二、方形鋰電池的熱數學模型

在建立方形鋰電池的熱數學模型前，為了便于模型的建立，首先需要對電池做一定的假設與簡化：第一，由于電池內部輻射對散熱的影響很小，在建模時將其忽略。第二，電池的各種性能參數不隨溫度變化。第三，熱量在電池內部的核心部分是均勻產生的。

式中kx、ky、kz分別是方形電池在長、寬、高方向的熱導率，為電池單位體積的熱生成率，P為電池的密度，c為電池的比熱容，T為電池的溫度，t為時間。邊界條件為第三類邊界條件，即已知電池表面的對流換熱系數。

三、邊界和初始條件

為了確定介質中的溫度分布，必須求解相應的導熱方程。不過這種解與介質邊界上存在的物理條件有關，而且如果所討論的情況隨時間變化，則還與某一初始時間介質內部存在的條件有關。導熱方程對時間是一階的，給定的這個條件稱為初始條件。關于邊界條件，常見的有三類：第一類邊界條件（狄里奇莉特條件）：規定沿導熱物體邊界上的溫度值。即規定：第二類邊界條件：規定邊界上的換熱狀態。如表面上存在對流加熱（或冷卻）的情況。用數學表達式表示為：

四、散熱肋片在鋰電池散熱結構中的應用

在電池單體表面添加散熱肋片可以在一定程度上降低電池的最高溫度，但是由于散熱肋片對電池內部的影響相對于電池表面來說較小，使得電池在大電流放電時的溫度不均勻性增加了。另外，在電動汽車上動力電池包的尺寸大小由于車上有效裝載空間、車體質量平衡、與車架的裝配關系等因素的影響不能做的很大，使得電池包中電池間的空隙很小，造成散熱肋片的肋高在選擇時受到了很大的限制，這也是在電池表面添加散熱肋片的效果相對于另外一些電子元件（如電腦CPU等）來說不太明顯的一個主要原因。

五、動力鋰電池生熱率對比分析

圖1為整理的電池在不同倍率下放電的溫升比較，表1為電池內外溫差表。

由上面圖表中我們可以看到，放電倍率不同時，電池的溫升都不盡相同。放電倍率越大，電池的溫升越高，電池內部最高溫度和最低溫度的差值也越大。在廠家建議放電倍率0.3C放電時，電池的溫差為4K左右，尚處于可接受范圍內；當1C放電時電池內的溫差達到7K左右，單體電池的溫差就能夠達到7K左右，可以想象在電動汽車的電池包內大量的電池成組后這一數據將會變得更大，這對電池的使用和維護都是十分不利的。

六、結語

我國在電動汽車動力電池產業上雖然起步相較于一些發達國家來說較晚，在整車用動力電池系統方面還與國外有較大的差距。相信隨著我們的努力以及科技的不斷進步，我們在電動汽車領域能夠取得更好的發展。

參考文獻：

[1]張輝，李艷東，龍廣，孫明，趙麗娜.一種電動汽車動力鋰電池組狀態監控系統設計[J].電源技術，2017（05）：711-713.endprint