某純電動汽車電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱特性分析

金英潔 李波 馮琳桓 楊鵬程

摘 要：動力電池是純電動汽車的唯一動力源，純電動汽車在運行過程中動力電池會產(chǎn)生大量的熱，它不僅影響電池的性能，而且存在著安全問題。文章設(shè)計了一種純電動汽車電池箱體模型，采用風(fēng)冷散熱和相變材料散熱相結(jié)合的方式保證電池工作在適宜溫度，通過仿真分析動力電池在高倍率放電時隨著冷卻風(fēng)扇風(fēng)速的增加電池的溫度有所降低，當(dāng)風(fēng)速在4m/s時仍具有較好的散熱效果，仿真分析發(fā)現(xiàn)該箱體具有良好的散熱表現(xiàn)，能夠保證動力電池在各種工況下工作溫度的穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；電池箱體設(shè)計；相變材料；風(fēng)冷散熱；熱特性分析

中圖分類號：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0048-03

Abstract： Power battery is the only power source of pure electric vehicle. Power battery will produce a lot of heat in the running process of pure electric vehicle. It not only affects the performance of battery， but also has safety problems. This paper designs a battery box model of pure electric vehicle， which adopts the combination of air-cooled heat dissipation and phase-change material heat dissipation to ensure the battery to work at the appropriate temperature. The simulation analysis shows that the temperature of the battery decreases with the increase of the cooling fan wind speed at high rate of discharge， and still has a good heat dissipation effect when the wind speed is in 4m/s. The simulation results show that the box has good heat dissipation performance， which can ensure the stability of the operating temperature of the power battery under various working conditions.

Keywords： pure electric vehicle； battery box design； phase change material； air-cooled heat dissipation； thermal analysis

電動汽車由于它節(jié)能和環(huán)境友好的特點得到世界各國的重視，最近幾年來得到了迅速發(fā)展[1，2]。動力電池技術(shù)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，動力電池的優(yōu)劣直接影響純電動汽車的續(xù)駛里程和使用性能[3]。而電池的性能在很大程度上受到溫度的影響，電池溫度過高會使電池壽命減少嚴(yán)重時會發(fā)生爆炸[4]。為了使得動力電池在各種工況下均能工作在適宜溫度，一套科學(xué)的電動汽車電池散熱系統(tǒng)就顯得尤為重要[5-10]。

本文設(shè)計了一種風(fēng)冷散熱和相變材料相結(jié)合的電動汽車箱體散熱結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件，仿真分析電池在高倍率放電的情況下不同風(fēng)速對于電池箱體散熱的影響。

1 動力電池散熱箱體設(shè)計

1.1 電池布置形式與電池包設(shè)計

本設(shè)計主要是針對合肥國盛電池科技有限公司的方形磷酸鐵鋰電池，型號為：lFP1965142AC12Ah（Y/L）其長寬高分別為：141mm×65mm×19mm。該車用電池系統(tǒng)一共含有兩個電池箱體，每個箱體內(nèi)包含24個電池模塊，每個模塊有6個電池單體，總共有2×24×6=288塊電池單體，每塊電池的額定工作電壓是3.2V，而每一個電池單體的容量是12.3Ah。

1.2 簡化分析模型

為了簡化分析過程，現(xiàn)在針對一個電池模塊（包含6塊電池單體）進(jìn)行單獨熱分析，電池單體在箱體內(nèi)的排列方式以及分析模型的主要構(gòu)成部分如圖1所示。

采用向石蠟中添加石墨的方法構(gòu)成復(fù)合相變材料，改善了石蠟的導(dǎo)熱性能，強(qiáng)化了傳熱，提高了相變材料的儲熱、放熱性能。石墨可以增加石蠟傳熱的有效面積，大大提高了石蠟/石墨相變儲熱材料在儲（放）熱過程中的傳熱性能，縮短了儲（放）熱時間，當(dāng)石墨/石蠟相變材料中石墨含量為40%時，相變材料的儲熱、放熱特性具有較好表現(xiàn)，因此石墨和石蠟相變材料中石墨的重量占總重的60%。箱體外殼以及隔板采用牌號為6061-T651的鋁合金材料，并采用純銅材料的散熱銅管。

2 動力鋰電池單體電池仿真參數(shù)的確定

由上表的的參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)建立電池?zé)崮Ｐ停撾姵責(zé)崮Ｐ秃喕癁閹缀沃行漠a(chǎn)熱。

3 電池箱熱分析

3.1 幾何模型

電池包幾何模型由電池箱體、銅管、電芯、石墨與石蠟混合相變材料等組成，因為左右對稱，為了簡化分析模型，我們可以先分析一半，然后通過結(jié)果對稱來求得最終的分析結(jié)果。

3.2 溫度分布云圖

本文分析了不同流體（空氣）流速時電池溫度分布情況，為了便于觀察，下圖中將電池箱體隱藏或者透明化，電池放電倍率為1C。以下各圖是空氣流速為4m/s、5m/s、6m/s時電池內(nèi)部（采用面切的方式查看電池內(nèi)部的溫度）和外部的溫度分布云圖。

由圖，4m/s電池最高溫度（存在于兩側(cè)兩塊電池的內(nèi)部中心）為311.5K；5m/s電池最高溫度為310K；6m/s電池最高溫度為308.5K，在此溫度梯度情況下流體速度的增加對于最高溫度的改善并不大，我們也分析了流體速度為2m/s、3m/s時電池溫度分布情況，但散熱情況不太理想，從圖中可以看到溫度最高處位于電池的最外面兩塊的外側(cè)部分，此處散熱不佳，比電池內(nèi)部的溫度稍低。電池的最高工作溫度不能超過60℃，超過60℃有燃燒和爆炸的危險，電池的工作溫度保持在40℃左右時比較合適的，在本文的分析中，當(dāng)風(fēng)速為4m/s時，電池最高溫度為38.35，仍然符合電池工作的最優(yōu)工作溫度范圍（25℃～40℃）。

4 結(jié)束語

（1）本文設(shè)計了一種相變材料散熱和風(fēng)冷散熱方式相結(jié)合的電動車散熱箱體模型，在熱分析仿真試驗中箱體能有效地給電池降溫，使得鋰電池在最適合的溫度下工作。

（2）在較小的冷卻風(fēng)扇風(fēng)速（4m/s）時，電池散熱箱體就有著不錯的散熱表現(xiàn)，隨著冷卻風(fēng)扇風(fēng)速的增加，電池溫度有所降低，各個電池單體之間的溫度差變小，電池的均一性越好。

（3）由于箱體的兩側(cè)沒有布置相變材料和銅管，電池最高溫度點位于兩側(cè)的兩塊電池的中心，這兩塊電池的外側(cè)表面溫度也較高，出于結(jié)構(gòu)的緊湊性和溫度最高點溫度在合理范圍內(nèi)，無增加散熱部分的必要性。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔勝民.新能源汽車技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2014.

[2]Dutil Y， Rousse D.R.， Salah N.B.， et al. A review on phase-change materials：Mathematical modeling and simulations. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011，15（1）：112-130.

[3]艾新平，楊漢西.電動汽車與動力電池技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4]王峰，李茂德.電池?zé)嵝?yīng)分析[J].電源技術(shù)，2010，34（3）：288-291.

[5]趙衛(wèi)兵.電動車鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[D].長春：吉林大學(xué)，2014.

[6]Bernardi D， Pawlikowski E， Newman J. A general energy balance for battery systems. Journal of Electrochem soc 1985，123（1）：5-12.

[7]林成濤，李騰，陳全世，等.錳酸鋰動力蓄電池散熱影響因素分析[J].兵工學(xué)報，2010，31（1）：88-93.

[8]鄭鑫，喬鑫，孔繁華，等.電動汽車散熱分析[J].北京汽車，2014.

[9]車杜蘭.電動汽車鋰離子電池包熱特性研究與優(yōu)化設(shè)計[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[10]南爵.相變散熱在鋰離子電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)，2016.