高溫環(huán)境利用空調(diào)蒸發(fā)器并行分冷動力電池組

張海明　侯剛

摘 要：鋰電池工作的適宜溫度范圍為15℃-35℃，由于放電生熱加上夏季較高的環(huán)境溫度使得電池的溫度很難滿足要求。通過流熱耦合分析得利用來自空調(diào)蒸發(fā)器的冷卻空氣強制風冷電池模組有較好的降溫效果。最高溫度由46.875℃降至34.29℃，最大溫差由3.485℃降至1.808℃。

關(guān)鍵詞：鋰電池 空調(diào) 強制風冷

Parallel Cooling Power Battery Pack Using Air Conditioner Evaporator in High Temperature Environment

Zhang Haiming Hou Gang

Abstract：The suitable temperature range for lithium battery operation is 15℃-35℃. Due to the heat generated by discharge and the higher ambient temperature in summer， the battery temperature is difficult to meet the requirements. Through the flow-heat coupling analysis， it is found that using the cooling air from the air-conditioning evaporator to force the battery module to cool down has a better cooling effect. The maximum temperature dropped from 46.875°C to 34.29°C， and the maximum temperature difference dropped from 3.485°C to 1.808°C.

Key words：lithium battery， air conditioner， forced air cooling

1 生熱率計算

1.1 正常行駛生熱率

選取的鋰電池標稱電壓14.8V，最大充電電壓17.4V，容量288WHr，電池單體的尺寸為195.58×137.16×73.66（mm），電池模組由8個電池單體組成，電池模組的整體尺寸為700×320×76（mm）。

常用電池生熱模型為Bernardi模型，在電池極化濃度差非常小而忽略混合熱時，生熱由不可逆內(nèi)阻熱和可逆熵變熱組成，模型簡化為式（1）。

為開路電壓溫度影響系數(shù)，常溫取0.469mV/℃，數(shù)量級很小;SOCstart為初始的荷電狀態(tài)取1;DR為電池的放電倍率取0.5C;I為電池的電流;T為電池的溫度;R為電池的內(nèi)阻;由式（2）可知荷電狀態(tài)SOC是時間的函數(shù)，且電池的內(nèi)阻是隨著荷電狀態(tài)的改變而改變的，將R與SOC的關(guān)系帶入式（1）得生熱量與時間的關(guān)系，再除以電池體積得生熱率與時間的關(guān)系。如圖1所示，生熱率隨時間有小范圍的波動，計算得到平均生熱率為3400W/m3。

1.2 附加生熱率

強制對流冷卻電池組時低溫空氣來自空調(diào)蒸發(fā)器，這會在正常行駛之外產(chǎn)生附加功率和生熱率，且由于空調(diào)功率較大而導(dǎo)致附加生熱率不可忽視。可先由電池模組的入口直徑和風速計算空氣流量，再由空氣密度，比熱容和溫差計算空氣被冷卻功率，最后由空調(diào)效率和電池內(nèi)芯總體積計算附加生熱率。公式為式（3）

d為空氣入口直徑20mm;v為空氣流速3m/s;ρ為空氣密度1.165kg/m3;CP為空氣比熱容1005J/kg/k;T0為夏季外界空氣為溫度35℃;T為冷卻空氣溫度取25℃;n為電池模組中電池單體個數(shù)為8;V電池內(nèi)芯總體積;η為空調(diào)只冷卻電池組的效率為55%;

由公式（3）計算可得附加生熱率為1618W/m3占正常行駛時生熱率的47.58%接1/2，若需要更好的電池冷卻效果而降低空氣溫度至20℃則生熱率為2432W/m3，這是十分不經(jīng)濟的。因此要合理選擇冷卻空氣的溫度以滿足冷卻要求即可，否則因使用空調(diào)蒸發(fā)器而產(chǎn)生的附加生熱率可能會抵消其帶來的冷卻效果，沒有作用的同時還會消耗功率降低電動車的續(xù)航里程。

2 電池單體自然冷卻分析

2.1 模型簡化

電池單體是由正級，負極，內(nèi)芯和外殼組成，主要研究電池單體內(nèi)部的溫度分布情況，正負極遠離電池的幾何中心對溫度的影響較小。且自然對流的情況下空氣主要靠重力和浮升力的改變而流動，流速較小。位于電池頂部且體積較小的正負極對流動沒有影響。因此在仿真分析中簡化正負極，電池各部分如表1。

2.2 參數(shù)設(shè)置

對流換熱系數(shù)受到空氣的流速，空氣和電池表面溫差和表面形狀等多種因數(shù)影響，往往難以準確的測量。通常空氣自然對流換熱系數(shù)為5-10w/m2/k，考慮到電池所處的環(huán)境溫度較高而溫差較小，選取對流換熱系數(shù)為5w/m2/k。設(shè)置Ambient Temperature的值為35℃。電池單體的生熱率雖有一定波動但幅度較小，故使用平均生熱率3400w/m3。劃分網(wǎng)格，單元質(zhì)量為0.9278接近于1質(zhì)量較好。

2.3 結(jié)果分析

觀察圖2電池單體溫度云圖可知，最高溫度達到46.857℃且最大溫差為3.458℃，最高溫度遠超過電池適合工作的溫度范圍嚴重影響電池的性能。且在爬坡和加速等需要更高放電倍率的情況下，電池的瞬時生熱率和溫度會更高從而極有可能發(fā)生危險。因此，雖消耗能量但使用來自空調(diào)蒸發(fā)器的冷卻空氣降低電池溫度是十分必要的。

3 電池模組強制風冷分析

3.1 模型修改

強制對流冷卻時空氣的流動更加的劇烈而導(dǎo)致對流換熱系數(shù)更加的難以準確測量。且由于各個電池單體距離空氣進口處的距離不等導(dǎo)致冷卻效果有所差別，不能直接將各個單體的散熱效果等效。因此選擇Fluent+Steady-State-Thermal對電池模組進行流固耦合仿真，對流換熱系數(shù)由系統(tǒng)自動耦合求解。

3.2 參數(shù)設(shè)置

空氣的流速設(shè)置為3m/s，溫度為298.15k，出口為壓力出口。總生熱率為正常行駛時平均生熱率疊加附加生熱率為5018 w/m3。且為保證電池有良好的固定和散熱，電池兩側(cè)面及支架的外側(cè)面和模組外殼的內(nèi)側(cè)面均是接觸的。劃分網(wǎng)格，單元質(zhì)量為0.8825接近于1質(zhì)量較好。

3.3 結(jié)果分析

由圖3的溫度云圖可知，最高溫度下降到34.29℃，降幅達到12.585℃。最大溫差由3.485℃下降至1.808℃，且這是整個電池模組的溫差，對于電池單體來說溫差會更小。靠近進風口處的電池單體溫度較低冷卻效果好，遠離進風口處的電池單體溫度較高冷卻效果較差，但總體滿足電池的適宜溫度范圍的要求。因此，使用來自空調(diào)蒸發(fā)器的冷卻空氣降低電池溫度是十分有效的。

4 結(jié)論

使用空調(diào)強制風冷電池時會產(chǎn)生不可忽視的附加功率和生熱率，需要謹慎選擇空氣溫度。通過流固耦合分析得來自蒸發(fā)器得低溫空氣能夠在夏季較高的環(huán)境溫度下有效的降低電池組得溫度，且需要在之后的研究中進一步的優(yōu)化結(jié)構(gòu)來改善由于離進風口的距離不同而導(dǎo)致電池單體冷卻效果不一致的問題。

參考文獻：

[1]呂水明.純電動汽車電池組散熱結(jié)構(gòu)分析及溫控電池箱研究[D].陜西：長安大學，2018.

[2]朱志賢.鋰離子電池熱效應(yīng)分析及散熱優(yōu)化設(shè)計[D].北京：北京交通大學，2019.

[3]周阿群等.Hawk采集站鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及原理分析[J].物探裝備，2017，154-158.

[4]丁鵬等.電動汽車空調(diào)與電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計與驗證[J].制冷與空調(diào)，2020，84-88.