基于雙進雙出流徑液冷系統(tǒng)散熱的電池模塊熱特性分析

徐曉明 趙又群

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

電池作為電動汽車主要儲能元件，是電動汽車的關鍵部件［1-2］，直接影響到電動汽車的性能。很多學者已經(jīng)開展了電池組熱管理系統(tǒng)的研究與開發(fā)工作［3-8］。電池組熱管理的冷卻方式按照傳熱介質(zhì)分為空氣冷卻、液體冷卻（油冷）和相變材料冷卻。影響電動汽車冷卻系統(tǒng)散熱性能的因素有很多，包括發(fā)熱功率、電池形狀、冷媒類型、冷媒流速、流道厚度等［9-10］，因此，需要根據(jù)實際情況選擇合理的冷卻方式。

液體冷卻（液冷）是一種利用導熱率相對較高的流體作為導熱媒介來給電池組散熱的冷卻方式，冷板液冷方式是電池組系統(tǒng)冷卻散熱的一個重要研究方向。采用冷板散熱的效果一般比對流換熱要好［11］，在模塊間使用冷板可改善換熱效率及模塊間溫度的均勻性，可以根據(jù)實際情況設計冷板的尺寸和形狀［12］。用高導熱材料直接貼在物體表面，能夠很好地強化局部散熱，但會導致成本增加，該材料可以使用在重點生熱區(qū)。

電動汽車冷卻系統(tǒng)的研究方法有很多，如試驗、仿真［13-15］和理論計算等，本文選取雙進雙出流徑液冷系統(tǒng)作為研究對象，采用試驗的方法，對2并12串的電池模塊熱特性進行分析。

1 液冷試驗系統(tǒng)和充放電過程

1.1 液冷試驗系統(tǒng)總成及測溫點布置

圖1所示為液冷試驗系統(tǒng)總成，冷卻液循環(huán)路徑如下：水泵-壓力表-流量計-散熱器-壓力表-水冷板-壓力表-閥門-水槽-壓力表-水泵，試驗時選用去離子水作為冷卻液。由于水泵在運行時溫度較高，故安放在水槽上面，以降低水泵溫度。搭建液冷試驗系統(tǒng)時，應當充分考慮系統(tǒng)漏液和過壓，同時還要考慮進液流量的穩(wěn)定性。

圖1 基于液冷系統(tǒng)散熱的單模塊電池組系統(tǒng)總成

電池標準模塊由55Ah單體電池通過1mm厚的銅鍍鎳跨接片2并12串組合而成，測溫點布置如圖2所示。

圖2 電池標準模塊測溫點布置

1.2 雙進雙出流徑水冷板

圖3為雙進雙出流徑水冷板流道示意圖，冷卻液從外側的兩個口進入，流經(jīng)三條并排的進液通道，經(jīng)底部擋板折回，再流經(jīng)三條并排的出液通道，最后從外側的另外兩個出口流出。

圖3 雙進雙出流徑水冷板流道示意圖

1.3 1C100%SOC三個充放電循環(huán)過程

試驗過程為1C100%SOC三個充放電循環(huán)，起始狀態(tài)為電池滿電，循環(huán)過程如下：①恒流放電，電流110A，當任一單體電壓達到2.5V時截止；②擱置10min；③恒流恒壓充電，電流110A，當任何一單體電壓達到3.65V時轉恒壓充電，截止電流5.5A；④擱置10min；⑤循環(huán)①～④三次；⑥結束。

1.4 液冷系統(tǒng)散熱性能目標

評估電池組冷卻系統(tǒng)散熱性能的指標主要有電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差（定義電池組最高溫度與環(huán)境溫度之差為電池組最高溫升，電池組最高溫度與最低溫度之差為內(nèi)部最大溫差），若電池組最高溫升和內(nèi)部最大溫差較小，則散熱性能優(yōu)越。液冷系統(tǒng)設計目標如下：電池組最高溫升小于10℃，內(nèi)部最大溫差小于5℃。

2 室溫下不同進液流量散熱性能分析

圖4所示為室溫（27℃）下進液流量f＝450L／h時各監(jiān)測點溫度曲線，可以看出，12號電池單體上部溫度最高，為31.31℃；24號電池單體下部溫度最低，為28.66℃。各監(jiān)測點溫度曲線的峰值分別位于各循環(huán)充電或放電結束時刻，且隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，充電或放電結束時刻的溫度也相應提高；波谷位于擱置結束時刻，同樣隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，擱置結束時刻的溫度也提高，因此最后一個充放電循環(huán)的溫度變化對電池最終的熱狀態(tài)影響較大。

圖4 室溫下各監(jiān)測點溫度曲線（f＝450L／h）

圖5所示為室溫下進液流量f＝450L／h時液冷系統(tǒng)電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線，曲線波峰同樣位于各循環(huán)充電或放電結束時刻，波谷位于擱置結束時刻。

5 室溫下電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線（f＝450L／h）

表1所示為室溫下不同進液流量時的電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差，可見，液冷系統(tǒng)散熱性能并不隨進液流量的增大而改善，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差與進液流量不成線性關系。進液流量f從350L／h增大到450L／h，散熱性能得到改善；進液流量f 從450L／h增大到500L／h，散熱性能逐步變差；在各進液流量下，液冷系統(tǒng)散熱性能均符合目標要求。室溫下，液冷系統(tǒng)散熱性能最差時的進液流量為350L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.49℃，內(nèi)部最大溫差為3.39℃；滿足液冷系統(tǒng)最佳散熱性能的進液流量為450L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.13℃，內(nèi)部最大溫差為3.10℃，分別比進液流量為350L／h時降低了6.6%和8.6%。

表1 室溫下不同進液流量時的電池模塊溫度數(shù)據(jù)

3 室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進液流量不同時的散熱性能分析

圖6所示為室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進液流量不同時的各監(jiān)測點溫度曲線，可以看出，12號電池單體上部溫度最高，為30.30℃；24號電池單體下部溫度最低，為28.22℃。圖7所示為電池模塊中部間隙增大4mm、進液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線，可以看出，電池模塊最高溫升為4.35℃，內(nèi)部最大溫差為2.16℃，與原電池模塊相比，電池模塊最高溫升降低了15.2%，內(nèi)部最大溫差降低了30.3%。

圖6 室溫下中部間隙增大4mm且進液流量不同時的各監(jiān)測點溫度曲線

圖7 450L／h進液流量下電池模塊中部間隙增大4mm時電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

表2所示為室溫下電池模塊中部間隙增大4mm且進液流量不同時的電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差，可見，電池模塊中部間隙增大4mm時，液冷系統(tǒng)的散熱性能同樣不是隨著進液流量的增大而改善的，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差與進液流量也不是線性變化關系；在各進液流量下，電池模塊中部間隙增大4mm時的液冷系統(tǒng)熱性能均符合目標要求。電池模塊中部間隙增大4mm時，最差散熱性能的進液流量為350L／h，此時，電池模塊最高溫升為5.41℃，內(nèi)部最大溫差為2.97℃；滿足最佳散熱性能的進液流量為450L／h，此時，電池模塊最高溫升為4.35℃，內(nèi)部最大溫差為2.16℃，分別比進液流量為350L／h時降低了19.6%和27.3%。由上述分析可知，在滿足電池模塊擺放空間尺寸的情況下，增大電池模塊中部間隙，可以較好地改善液冷系統(tǒng)散熱性能。

表2 室溫下中部間隙增大4mm且進液流量不同時的電池模塊溫度數(shù)據(jù)

4 不同環(huán)境溫度下散熱性能分析

4.1 35℃環(huán)境溫度下散熱性能分析

圖8所示為35℃環(huán)境溫度下進液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線。與室溫（27℃）下相比，電池模塊內(nèi)部溫差曲線在較高的溫差范圍（3～5℃）內(nèi)波動，且變化較為平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性都比較差；與27℃環(huán)境溫度時相比，電池模塊最高溫升降低了34.5%，內(nèi)部最大溫差反而升高了53.2%，可見隨著環(huán)境溫度的升高，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變差。

圖8 35℃環(huán)境溫度下進液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

4.2 45℃環(huán)境溫度下散熱性能分析

圖9所示為45℃環(huán)境溫度下進液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線。與35℃環(huán)境溫度下相比，電池模塊最高溫升降低了62.6%，內(nèi)部最大溫差反而升高了90.7%，電池模塊內(nèi)部溫差曲線在更大的溫差范圍（7～9℃）內(nèi)波動，且變化更趨于平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變得更差，故在選擇冷卻液溫度時，并不是溫度越低就越有利于液冷系統(tǒng)散熱。

圖9 45℃環(huán)境溫度下進液流量f＝450L／h時的電池模塊溫升和內(nèi)部溫差曲線

4.3 不同環(huán)境溫度下散熱性能比較

圖10所示為進液流量f＝450L／h時不同環(huán)境溫度下電池模塊監(jiān)測位置最高溫度，可以看出，電池模塊上的4個監(jiān)測位置最高溫度隨著環(huán)境溫度的升高基本上呈線性變化，其中12號單體上部和13號單體上部最高溫度的增幅高于1號單體下部和24號單體下部最高溫度，可見環(huán)境溫度越高，液冷系統(tǒng)對電池模塊上部的散熱效果越好，對電池模塊底部的散熱效果越差。

圖10 進液流量f＝450L／h時不同環(huán)境溫度下電池模塊監(jiān)測位置最高溫度

5 結論

（1）室溫下，電動汽車液冷系統(tǒng)的散熱性能并不是隨著進液流量增大而改善的，而是呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢；進液流量為450L／h時的電池模塊最高溫升為5.13℃，內(nèi)部最大溫差為3.10℃，滿足最佳液冷散熱要求；在各進液流量下，液冷系統(tǒng)散熱性能均符合目標要求。

（2）室溫下，電池模塊中部間隙增大4mm時的液冷系統(tǒng)散熱性能同樣不是隨著進液流量增大而改善的；與原電池模塊相比，電池模塊最高溫升和內(nèi)部最大溫差均有所降低，散熱性能提高，其中滿足最佳液冷散熱要求的進液流量仍然為450L／h。

（3）與27℃環(huán)境溫度時相比，35℃環(huán)境溫度下電池模塊內(nèi)部溫差變大，可見冷卻液溫度過多地低于環(huán)境溫度并不一定會改善電動汽車液冷系統(tǒng)的散熱性能；與35℃環(huán)境溫度相比，45℃環(huán)境溫度下電池模塊內(nèi)部溫差曲線在更高的溫差范圍（7～9℃）內(nèi)波動，且變化也更趨于平緩，這說明在整個充放電過程中，電池模塊內(nèi)部溫度均勻性變得更差。

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