一種新型風冷電池熱管理系統的結構優化

柳佩文

摘要：本文提出了一種新型的風冷熱管理系統（BTMS）來提高熱管理系統的冷卻性能。優化結果表明，與傳統Z型風冷熱管理系統相比，電池組最高溫度降低了2.40K（4.72%），最大溫差減小了4.42K（70.89%）。本文提出的優化方式可為電動汽車的電池熱管理提供一定的參考價值。

Abstract： A new type of air cooling thermal management system （BTMS） is proposed to improve the cooling performance of the thermal management system. The optimization results show that the maximum temperature of the battery pack is reduced by 2.40k （4.72%） and the maximum temperature difference is reduced by 4.42k （70.89%） compared with the traditional Z-type air cooling and thermal management system. The optimization method proposed in this paper can provide certain reference value for battery thermal management of electric vehicles.

關鍵詞：電池;熱管理;風冷

Key words： battery;thermal management;air cooling

中圖分類號：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0028-02

0? 引言

動力電池作為電池汽車的關鍵元件很大程度上影響著電動汽車的性能。但是在電池充放電過程中，電池內部會產生大量熱量，如果熱量不能被及時散發出去，會造成嚴重的安全問題，所以熱管理對動力電池來說至關重要。風冷熱管理系統由于其結構簡單、成本低、便于維修等優點而受到研究人員的青睞。Pesaran等人[1]比較了串聯風冷和并聯風冷的冷卻效果，結果表明，并聯風冷的冷卻性能要優于串聯風冷。Park等人[2]討論和分析了Z型和U型風冷電池熱管理系統的散熱性能，并通過錐形進出口和增加二次出口進一步改善了熱管理系統的散熱性能。E等人[3]研究了不同進出口布置方式和相對位置對電池熱管理系統冷卻性能的影響。結果表明，當進出口分別位于相對的頂部和底部時冷卻效果最佳。Chen等人[4]通過改變進出口位置提出了一系列新型風冷熱管理系統結構?；谇叭说难芯?，本文提出了一種新型風冷熱管理系統，并進行了進一步的結構優化。

1? 物理模型

1.1 CFD模型

本文通過在傳統Z型風冷BTMS的基礎上增加一個出口提出了一種新型的風冷BTMS，新型BTMS的模型圖如圖1所示。進出口的長度和寬度分別為100mm和20mm，電池長寬高分別為70mm、27mm和90mm，冷卻通道寬度均為3mm，電池前后緊貼電池箱。

1.2 邊界條件

本文的入口條件和出口條件分別設置為速度入口和標準大氣壓力出口，入口氣流速度設置為4m/s，系統初始溫度為299.15K，進口溫度等于環境溫度。

2? 結果與討論

2.1 與傳統Z型風冷BTMS的對比分析

圖2顯示了傳統Z型風冷BTMS和本文提出的新型風冷BTMS的溫度云圖。由圖2可知，與Z型BTMS相比，新型BTMS的電池最高溫度和最大溫差都大大降低。對于新型風冷BTMS，前5塊電池溫度相對較高，后3塊電池相對較低，且最高溫出現在電池2表面，最低溫出現在電池8表面。

2.2 進一步優化

本節通過改變如圖3所示的h值來進一步優化新型風冷BTMS的冷卻性能。圖4展示了不同h值的新型風冷BTMS的溫度云圖以及最高溫度和最大溫差的對比。由圖4可知，改變h值之后，新型BTMS的電池最高溫度有所降低，最大溫差變化不大。當h值為15mm時，BTMS的冷卻性能最佳，與傳統Z型BTMS相比，最高溫度降低了2.40K（4.72%），最大溫差減小了4.42K（70.89%）。

3? 結論

本文通過在傳統Z型BTMS的基礎上增加一個出口提出了一種新型風冷BTMS。與傳統Z型BTMS相比，新型BTMS的冷卻性能大大改善，最高溫度降低了2.16K（42.5%），最大溫差減小了4.28K（68.7%）。本文還通過改變h值進一步改善了新型BTMS的散熱性能。改善過后，電池最高溫度降低了2.40K（4.72%），最大溫差減小了4.42K（70.89%）。

參考文獻：

[1]A.A. Pesaran， Battery thermal models for hybrid vehicle simulations， J. Power Sour. 110 （2002） 377-382.

[2]H. Park， A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles， J. Power Sour. 239 （2013） 30-36.

[3]Jiaqiang E， Meng Y， Jingwei C， et al. Effects of the different air cooling strategies on cooling performance of a lithium-ion battery module with baffle[J]. Applied Thermal Engineering. 2018，144：231-241.

[4]Kai Chen， Weixiong Wu， Fang Yuan， Lin Chen， Shuangfeng Wang， Cooling efficiency improvement of air-cooled battery thermal management system through designing the flow pattern， Energy 167 （2019） 781-790.