基于AMESim的鋰離子電池組水冷系統結構研究

劉科延

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

近年來，新能源汽車發展迅速，鋰離子電池組因其比能量高、比功率大、充放電迅速可靠、自放電率低等優點而被廣泛應用于電動汽車領域。但鋰離子電池的壽命及安全性受其溫度影響較大。在純電動汽車中，由于電池組是由許多小電池模塊組成的，每個電池模塊又是由多個單體電池串聯或并聯組成。在車內密閉的空間內，熱量的不斷累積會對電池組模塊中各單體電池的性能產生不同程度的影響，所以電池熱管理一直是目前研究的熱點。在鋰離子電池使用過程中，應避免電池內部溫度過高和溫差過大，其中電池的溫度范圍一般控制在20 ℃～40 ℃，最大溫差不超過5 ℃。

電池冷卻根據冷卻方式不同一般分為風冷、液冷以及相變冷卻。液冷散熱作為一種高效的冷卻技術，廣泛應用于各類電動汽車上。根據形式不同分為接觸式和非接觸式。本文選用非接觸式的液冷散熱，通過AMESim軟件搭建電池組液冷散熱系統一維仿真模型，以電池溫度為管理目標，設計搭建不同冷卻液流道結構，對比分析不同流道的冷卻效果，得到相對較好的冷卻方案。

1 流道布置及AMESim仿真

1.1 流道布置方案

在鋰離子電池組液冷散熱系統中，電池的大部分熱量都只能通過冷卻介質散發出去，所以合理的冷卻流道布置至關重要。好的流道結構對于改善冷卻系統散熱效果有顯著的影響，為了探究影響流道散熱效果的因素以及得到較好的流道結構設計，本文選取36個18650電池單體為研究對象，其空間位置按照6行6列排布，冷卻管道穿插在鋰離子電池之間。設計如下四種流道布置，如圖1所示。

圖1 不同的流道布置形式

1.2 AMESim模型搭建

AMESim 軟件是一款多學科領域復雜系統建模仿真平臺，其中擁有各種應用庫，可以滿足各領域仿真需求。用戶可根據需求調用相應元件并設置所需參數，通過連接元件模型快速建立復雜的多領域系統模型。本文主要應用 AMESim中的 Electric-Storage庫和 Thermal庫建立電池的電特性和熱特性，并結合Thermal Hydraulic庫建立冷卻液回路。

本文使用的是18650型號圓柱型鋰離子電池。在AMESim軟件中，單體電池的準靜態子模型中包含的許多子模型已被電池測試設備標定和驗證，本次選用自定義準靜態子模型，相關參數如表1所示。

表1 單體電池參數

為簡化計算，忽略單體電池與外部環境之間的自然對流及輻射換熱，各單體電池之間無接觸導熱，只考慮電池與流道之間的對流換熱。針對圖1所示流道結構，在AMESim中分別建立對應方案的電池組液冷系統一維仿真模型，圖 2為方案一的液冷散熱模型局部示圖。

圖2 方案一仿真模型局部示圖

1.3 仿真計算

鋰離子電池各參數如表 1所示，液體冷卻介質選用 50%乙二醇溶液，電池初始溫度與冷卻液溫度為30 ℃，電池以1 C放電倍率放電，在仿真模式下設置仿真計算時間，仿真開始時間為0 s，打印步長為1 s，仿真時間為1 000 s。這里選取冷卻流道進口與出口處的單體電池溫度變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同流道布置方案進出口處電池溫度變化曲線

2 結果分析

由圖 3可以看出，鋰離子電池不同冷卻管道結構的電池溫度隨時間的變化曲線大致相同。隨著電池的不斷放電，電池溫度升高，電池放電初期溫度迅速升高，通過冷卻介質的冷卻后溫度逐漸穩定下來。冷卻介質與電池的熱對流，沿著冷卻介質的流動方向逐漸積累熱量，介質的溫度隨之上升，從而造成流道下游的換熱效率下降。因此，電池的溫度沿冷卻流道方向上升，電池組內單體電池的最高和最低溫度分別位于流道的進口和出口，靠近流道進口方向的單體電池受冷卻效果較好且溫度較低，出口方向的電池溫度則較高。

為了進一步分析各結構的冷卻效果，現提取各流道布置下電池組內單體電池的最高、最低溫度以及溫差數據進行對比，如表2所示。

表2 不同流道布置溫度表

結合表 2可知，不同的流道結構對鋰離子電池組冷卻效果以及單體電池溫度分布影響較大。方案一的冷卻流道布置間隔較大，由于距離冷板較遠，流道之間的電池單體溫度較高；流道出口處電池溫度遠高于出口處電池溫度，這是由于沿著流道方向，冷卻液的溫度因吸收電池熱量而升高，流道出口處電池的溫度與冷卻液溫差減小，冷卻效果變差。該方案的電池組單體電池之間溫差較大，難以滿足溫度控制的要求。

方案二使用支路設計，由于進出口設置在同一側，導致各支路的分流不均勻，造成冷卻液流動受阻而使局部溫度過高，靠近出口處的電池溫度較高，電池組溫差較大，無法達到電池組溫度控制要求。

方案三相較于方案二，將出口調整至另外一側，通過改變流向來使流道各支路的冷卻液流動狀態更加均勻，部分改善了出口處的電池溫度，電池組的最高溫度有所下降，但是電池組各單體電池之間的溫度分布均勻性依舊比較差。可見，改變冷卻液流道各支路分流及進出口的位置，能夠改善電池組冷卻系統的散熱效果。

與方案一相比，方案四通過增加冷卻流道的數量，在電池組每行的間隔之間布置冷卻液流道，從而提高冷卻流道的密度，增加了流道與電池組的有效冷卻面積，改善了冷卻效果，較低了電池組的最高溫度。由于流道分布均勻且與電池組接觸面積增加，電池組單體電池的平均溫度與溫差降低，改善了電池組的溫度均勻性。通過比較可以發現，方案四的冷卻性能最好，因此流道與電池組之間的接觸面積對電池組內部溫度的影響較大。

3 總結

本文基于AMESim快速建立了鋰離子電池組液冷散熱系統的一維仿真模型，并研究了不同的流道結構下鋰離子電池組的溫升及溫度分布情況。結果顯示，不同的流道進出口位置及支路分流，電池組的溫度分布差異較大。流道進出口位置處于相反方向能夠改善冷卻液流動的均勻性，降低電池組的最高溫度。同時，增加流道密度和有效接觸面積能夠顯著改善電池組最高溫度及溫度均勻性，降低單體電池之間的溫差。本文比較分析了四種不同流道結構下鋰離子電池組放電時的冷卻效果，其中方案四有最佳冷卻效果，為鋰離子電池組熱管理方案設計提供重要參考。