基于液冷式電池組的導熱膠散熱分析

張小秋，何 鋒，蔣雪生，王文亮

（1.貴州大學，貴州貴陽550025；2.貴州長江汽車有限公司）

0 引言

動力電池組具有能量密度高、電壓穩定、壽命長等優點成為電動汽車最合適的蓄能裝置。而電池組對溫度敏感，在工作過程中釋放的熱量使工作溫度升高，甚至可能導致熱失控[1]。

目前主要采用空氣、液體或相變材料等設計電池熱管理系統（BTMS）[2]。液冷以導熱速度快、結構緊湊、管道布置靈活等優點得到較好應用。Duh 等人[3]指出極端的高低溫環境會對鋰電池的運行效率和循環壽命造成影響；S.Panchal 等人[4]在鋰電池包上布置微通道液冷板，從流速分布、放電倍率和環境溫度方面研究對BTMS散熱性能的影響；Wang 等人[5]把導熱膠應用到BTMS中一個單體中，單體的溫度分布受微通道數量和液體流速影響，但對冷卻液流動方向影響不明顯；徐曉明等人[6]在三種工況下，對比分析單體之間為空氣和填充導熱膠兩種電池包的溫度場分布情況，在勻速、NEDC 工況下，填充導熱膠的電池包溫差分別降低了1.41 ℃、0.14℃、0.2 ℃；劉一凡等人[2]分析了4 種導熱膠形狀對電池組熱性能影響，隨著導熱膠與電池組接觸面積的減少電池組最高溫度增加、溫差減小，但不能忽略電池單體內阻變化對散熱的影響。通過實驗測定電池單體內阻隨SOC 的變化，有利于提高仿真分析的準確性，且單體之間存在一定的空氣間隙造成熱傳遞不均，導熱膠對電池溫度場有良好作用。

本文通過設計不同液冷式電池組導熱膠散熱結構，實驗測定電池單體內阻與SOC 的關系并擬合公式，利用Fluent 仿真對比分析導熱膠結構對電池組溫度場分布的影響，進一步分析常溫和高溫工況下溫度場分布，驗證其有效性。

1 計算模型

1.1 理論模型

（1）連續方程：

式中 ρ 為密度；u、v、w和x、y、z為速度向量方向。

（2）能量守恒方程：

式中ρ—電池密度；Cp—電池比熱容；λx、λy，λz—3 個正交方向的導熱率；q—電池生熱速率。

（3）生熱速率計算模型

式中I—電流，Vb—單體電池體積，U—開路電壓，U0—工作電壓，T—電池溫度，dU0/dT—溫度系數。

1.2 幾何模型

電池組采用五串的連接方式構成，4 個微通道均勻分布在底部液冷板；采用三種導熱膠結構方案，微通道液冷板分布在電池組的底部，分別在單體底部與液冷板之間都涂有一層1 mm 厚度的導熱膠，其中，（a）結構在單體之間無填充，（b）、（c）結構分別在單體之間填充的導熱膠厚度為5 mm、1 mm，導熱膠結構如圖1（d），基于不同導熱膠結構，建立液冷式電池組幾何模型，相關熱物性參數如表1。

圖1 不同導熱膠結構與液冷板局部放大圖

表1 電池組和導熱膠熱物性參數

2 試驗測試

通過充放電測試系統平臺，采用混合脈沖功率特性法（HPPC）測定電池單體內阻與SOC的變化關系，以不同的環境溫度開展試驗，將電池置于相應環境溫度的恒溫箱內，底部與箱板絕緣，對電池單體進行充放電試驗，相關電池參數如表2。

將電池單體內阻與SOC的關系式變換為SOC與時間t關系，其表達式為：

式中SOC0—初始時刻SOC值；I—充放電電流；t—充放電時間；C—電池容量。

擬合實驗數據，通過Fluent 進行UDF 編譯模擬相應環境溫度下電池組生熱速率，擬合關系式為：

表2 電池參數

3 結果分析

3.1 常溫工況下電池組溫度分布

初始溫度為常溫25 ℃，冷卻液入口溫度20 ℃。對流系數取5 W/（m2/K）-1，對比分析電池組的溫升和溫度均衡性。

圖2 不同導熱膠結構溫度場對比

不同導熱膠結構的溫度場分布如圖2。a 結構散熱性能較差，表現為電池頂部溫度最高，越靠近底部呈降低趨勢，如表3。最低溫度均為20.1 ℃，與冷卻液入口溫度20 ℃接近，說明降低冷卻液溫度能有效促進散熱，但過低的冷卻液溫度會使最大溫差上升。與a 結構相比，b 結構在單體之間填充5 mm 厚度的導熱膠，最高溫度為28.9 ℃，最高溫度增加了0.8 ℃，說明導熱膠厚度對電池組散熱有影響；與b 結構相比，c 結構單體之間填充1mm厚度的導熱膠，最高溫度為23.2℃，最高溫度降低了5.7 ℃，冷卻效果較好；最高溫度曲線如圖3。

表3 電池參數

圖3 不同導熱膠結構最高溫度曲線圖

3.2 高溫工況下電池組溫度分布

冷卻液入口溫度25 ℃，采用單體之間填充1 mm厚度的 c 結構，導熱膠圖 4（a）～（c）為高溫工況電池組溫度場分布。

圖4 高溫工況溫度場對比

如圖4，在30 ℃工況下，最高溫度為32.6 ℃，最大溫差為7.5 ℃；在35 ℃工況下，最高溫度為33.2 ℃，最大溫差為8.1 ℃，相較于30 ℃工況增加了0.6 ℃；在40 ℃工況下，最大溫度為33.4 ℃，最大溫差為8.3 ℃，相較于30 ℃工況增加了0.8 ℃，如表4、圖5 所示。可見隨著高溫工況溫度的增加，電池組最高溫度和最大溫差趨于平穩，結構中的導熱膠均衡了溫度場。

表4 高溫工況電池組溫度

圖5 最高溫度對比曲線圖

4 結論

通過試驗得到電池單體內阻與SOC的擬合公式，根據擬合公式編譯UDF 更準確的模擬電池單體的生熱速率，分別對不同導熱膠結構的液冷式電池組進行仿真分析，得出（c）結構為最優散熱的一種導熱膠結構。利用最優導熱膠結構在高溫工況下對導熱膠電池組散熱的影響進行仿真分析，結果表明：常溫工況下，導熱膠有助于電池組散熱作用，但其厚度過大會產生熱堆積；高溫工況下，所采用的（c）導熱膠結構有利于降低電池組最高溫度和改善電池組溫度場均衡性。