電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)散熱分析

李冰林

摘 要：電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池組的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)會(huì)影響其散熱均勻性。論文針對(duì)40個(gè)呈5×8排列的動(dòng)力電池組散熱結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，并建立了其液冷仿真模型，對(duì)比研究串聯(lián)、并聯(lián)兩種液冷散熱方式的散熱效果，結(jié)果表明，所提出的混聯(lián)式的方案，均比串聯(lián)、并聯(lián)布局時(shí)相應(yīng)的值都要小，說(shuō)明該形式能有效提高電池組的散熱效果，改善熱均勻性。最后通過(guò)對(duì)比三種不同的混聯(lián)方式，得出方式一的混聯(lián)形式的散熱效果要優(yōu)于另外兩種混聯(lián)形式，為動(dòng)力電池的液冷布局方式提供了參考。

關(guān)鍵詞：鋰電池; 散熱結(jié)構(gòu)布局; 液冷; 混聯(lián)

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72+2? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-3315（2021）9-163-002

鋰電池由于具有較高的能量密度、自放電低等特點(diǎn)，作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池具有優(yōu)勢(shì)，但溫度是影響電池性能的關(guān)鍵因素，溫度過(guò)高容易導(dǎo)致熱失控，造成大的安全事故[1]。因此，散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)改善電池組的最佳工作溫度范圍，減小內(nèi)部單體電池之間的溫度差，保障動(dòng)力電池的安全運(yùn)行至關(guān)重要。當(dāng)前動(dòng)力電池冷卻通常采用空氣冷卻、液體冷卻、PCM冷卻及熱管冷卻[2]。液冷由于介質(zhì)的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)大于空氣，換熱效率要優(yōu)于空氣冷卻系統(tǒng)，是電池散熱的主要方式之一。當(dāng)前，采用液冷方式的研究主要集中在散熱結(jié)構(gòu)、傳熱介質(zhì)以及采用冷卻液體和相變材料結(jié)合等方面的研究[3][4]。還有通過(guò)空調(diào)的方式對(duì)電池組進(jìn)行熱管理的方式來(lái)保障電池的穩(wěn)定安全運(yùn)行[4]。然而在液冷散熱結(jié)構(gòu)布局的聯(lián)接方式對(duì)比上，研究報(bào)道較少[1]。

為此本文主要針對(duì)電池組的液冷內(nèi)部液流循環(huán)方式進(jìn)行研究，提出幾種不同液冷散熱結(jié)構(gòu)布局方式，分析在同樣的工作環(huán)境下，對(duì)比研究各循環(huán)通路的結(jié)構(gòu)布局方式對(duì)散熱效果的影響，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1.散熱結(jié)構(gòu)布局方式的設(shè)計(jì)

鋰電池的熱量產(chǎn)生通常被認(rèn)為包括：反應(yīng)熱，極化熱，副反應(yīng)熱，焦耳熱。主動(dòng)式液冷系統(tǒng)換熱方式中，串聯(lián)方式液冷回路過(guò)長(zhǎng)，后端電池達(dá)不到很好的散熱效果;而并聯(lián)的方式也是在多支路后期溫度過(guò)于集中，散熱效果會(huì)打折扣。

為了能提高電池組的散熱效果，本文采用一種串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的混聯(lián)方式對(duì)5×8的電池進(jìn)行散熱效果的研究。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，冷卻液由泵帶動(dòng)，吸收電池?zé)崃?，流?jīng)散熱器，通過(guò)散熱器向外散熱，使冷卻液溫度降低，再次通過(guò)泵流過(guò)電池組，如此往復(fù)循環(huán)?；炻?lián)的形式可以根據(jù)電池組散熱通道進(jìn)行不同的連接形式，本文所設(shè)計(jì)中的5×8的電池組形式具有6路的電池組散熱通道，混聯(lián)形式有，方式一：三路并聯(lián)再進(jìn)行串聯(lián)，如圖1中a）所示，方式二：兩路之間并聯(lián)再進(jìn)行串聯(lián)，如圖1中b）所示，方式三：交錯(cuò)串聯(lián)再并聯(lián)，如圖1中c）所示。

2.基于AMESim的電池組系統(tǒng)建模

AMESim提供了熱流體庫(kù)、冷卻系統(tǒng)庫(kù)等專(zhuān)業(yè)庫(kù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛熱管理系統(tǒng)建模。引入AMESim建立電池組的水冷形式仿真模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，有利于縮短開(kāi)發(fā)周期和節(jié)約實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。

電池組的仿真模型（混聯(lián)方式一）如圖2所示，該模型中包含5×8個(gè)電池，6路冷卻通道，模型中還包含了熱容量模塊和熱交換模塊。

3.液冷系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

定義仿真時(shí)間為5000s，電池組液冷卻系統(tǒng)的電池組在±30.769A恒定充放電電流下工作。仿真模型中具體參數(shù)如表一所示;

3.1并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)散熱效果分析

當(dāng)多個(gè)電池成一個(gè)電池組后，邊緣區(qū)域電池的熱交換條件比中間區(qū)域的要好，電池組溫度場(chǎng)并不是單體電池溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)單疊加。因此必須對(duì)電池散熱的均勻性進(jìn)行研究，將每一組數(shù)據(jù)的最終電池溫度計(jì)算器均方差，計(jì)算方式如式（1）所示。

式中，為平均溫度值，Xi代表第i電池的溫度。

表二為串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)（方式一）的仿真結(jié)果。通過(guò)對(duì)比混聯(lián)的形式的最高溫度，以及最高與最低溫度之間的溫差，總體方差都處于較小值，所以這種連接的散熱方式效果最佳。這三種環(huán)境溫度下所選的兩個(gè)電池的最大溫差分別為6.45℃、7.32℃和4.07℃。由于最適宜磷酸鐵鋰離子電池的工作區(qū)間20℃至50℃，溫差不超過(guò)5℃為最佳，5-10℃可以接受。由此可知串聯(lián)和并聯(lián)的方式對(duì)電池單體溫度的一致性控制散熱效果沒(méi)有混聯(lián)方式好，整體電池組的散熱性能不及混聯(lián)方式。

表二 串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)方式對(duì)比

3.2混聯(lián)的三種形式散熱效果分析

為進(jìn)一步探討不同的混聯(lián)形式對(duì)電池散熱效果，分別對(duì)圖1中三種混聯(lián)形式進(jìn)行對(duì)比，采集第三行、第四列和第八列，以及每種混聯(lián)形式的電池的最高溫度，最低溫度，及溫度的總體方差進(jìn)行對(duì)比。如表三所示，混聯(lián)方式一電池溫升最小，最高溫度為38.342℃，低于其他兩種方式?；炻?lián)方式一、二、三電池最大溫差分別為4.07℃、6.8℃和8.48℃，總體方差對(duì)比也是方式一最小，可知混聯(lián)方式一對(duì)電池單體溫度的均勻性最好，散熱效果佳，提高了整體電池組的性能。

表三 三種混聯(lián)方式散熱對(duì)比

因此，使用方式一的混聯(lián)冷卻回路的液冷系統(tǒng)，減少單條冷卻支路上的電池個(gè)數(shù)，使冷卻更均勻，達(dá)到減少電池間溫差過(guò)大的目的。

4.結(jié)論

論文建立了電池組的熱仿真模型，針對(duì)電池組的散熱方式提出了一種采用混聯(lián)的散熱方法，獲得以下結(jié)論：

4.1通過(guò)對(duì)比混聯(lián)形式，從電池的最高溫度、最大溫差、以及溫度方差值等方面都要優(yōu)于串聯(lián)、并聯(lián)兩種形式的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4.2對(duì)三種不同混聯(lián)的形式方法進(jìn)行了散熱效果的對(duì)比分析，得出方式一的散熱效果要優(yōu)于另外兩種混聯(lián)的方式。

參考文獻(xiàn)：

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