純電動汽車動力電池組液冷系統(tǒng)優(yōu)化及冷卻性能分析

林金源 魏小紅

關(guān)鍵詞：純電動汽車 電池組 液冷系統(tǒng) 冷卻性能 冷卻液

1 引言

隨著近些年來的發(fā)展，汽車行業(yè)當中的新能源汽車已經(jīng)得到了一定的普及，更多的人在選擇汽車的時候會考慮新能源汽車。在使用的過程中，由于汽車的放電會導(dǎo)致很多熱能產(chǎn)生，一旦冷卻系統(tǒng)無法及時的對這些熱量進行吸收，就會導(dǎo)致電池的溫度不斷升高，進而降低了電池的使用壽命，甚至會導(dǎo)致電池的起火爆炸等事故的發(fā)生。

2 鋰離子電池生熱原理以及參數(shù)

2.1 電池生熱原理

在使用電池的過程中，放電過程是由一系列的化學反應(yīng)而決定的[1]。同時在反應(yīng)的過程中會產(chǎn)生一定的熱量，為此對于電池所產(chǎn)生的實際熱量可以用以下公式進行表示[2]：

Q=Qr+Qj+Qp+Qs

Qr=mnlQe/MF

Qj=I2Re

Qp=I2Rp

在該反應(yīng)式下，其Qr 用以表示反應(yīng)熱;焦耳熱用Qj 表示;Qp 表示為極化熱;Qs 表示為副反應(yīng)熱;Qe 則是表示電池在電極處所發(fā)生的反應(yīng)熱;n 表示為電池模組在電池當中的總數(shù)量;m 則是便是對于每一個單獨電池的電機質(zhì)量;I 則是電池充放電過程中的電流值;M 表示為摩爾質(zhì)量;F 為法拉第常數(shù);Re 則可以表示為電池的歐姆電阻值。

在所表示的副反應(yīng)熱當中，是組成主反應(yīng)熱的一部分，實際所產(chǎn)生的熱量，是電池在使用的過程中，其電解液分解所產(chǎn)生的，在這個過程中，其產(chǎn)生的實際熱量相對較小，一般情況下可以忽略不計。

在對電池放電的過程中所產(chǎn)生的實際熱量進行相應(yīng)的計算的過程中，需要依據(jù)上述表達出的具體反應(yīng)式，進行數(shù)學模型的建立，以此提高計算過程的科學性。本文在分析這個問題的過程中，采用了Bernardi 的方式，對其電池所產(chǎn)生的熱量進行相應(yīng)的模型計算，具體的公式如下所示[3]：

在該反應(yīng)式下，q 為電池所產(chǎn)生熱量的速度，又稱熱率，I 代表充電電流，E0 代表電池動勢，UI 代表電壓，T 則是表示為電池的實際溫度，Vb 表示電池體積。

2.2 電池等效熱物性參數(shù)

在本文的分析中，選擇了18650 圓柱形鋰離子電池，同時依據(jù)相關(guān)標準的規(guī)定，對其電池等效熱物性參數(shù)進行選擇。

3 電池組建模以及仿真分析

3.1 建立模型

為了進一步的讓電池所產(chǎn)生的熱量，能夠很好的進行傳遞，讓冷卻液發(fā)揮出應(yīng)有的作用，在本文的分析中，選用的液冷系統(tǒng)為底部散熱的方式，也就是讓水冷板同電池的底部進行相連。在具體的尺寸方面，需要保證在兩個相鄰的電池之間中心點的位置距離為19.2mm，而在相同行之間的電池距離上，則需要控制在23.4mm。在采用的水冷板尺寸方面，需要使用圓柱形水道，并將其直徑控制在5mm，以蛇形的方式進行安裝，以此保障每一條設(shè)置的水道，都同電池列的方向相互平行，在電池的正下方進行安裝，以此形成最佳的散熱效果。

同時，為了使車體的重量下降，就需要在水冷板的材質(zhì)方面進行優(yōu)化處理，需要采用較低密度，同時具有良好的導(dǎo)熱系數(shù)的鋁制材料。而在冷卻液的方面，則需要保障其冷卻性能較高，同時在不同的溫度環(huán)境下，仍然可以擁有穩(wěn)定的冷卻性能，在冷凍液的選擇上，本文選擇使用50% 乙二醇水溶液，當作試驗所用冷卻液。

由于電池均具備外殼，且系統(tǒng)之間并不會發(fā)生熱量的交換，因此在進行設(shè)計的過程中，出于節(jié)約成本的目的，在進行計算的過程中，可以對電池組的外殼的影響因素進行忽略。同時在建立起的模型方面，需要導(dǎo)入仿真數(shù)據(jù)，對其進行六面體網(wǎng)格的實際劃分，這樣就可以形成合理的電池組網(wǎng)格模型，并對其進行細致的分析。下圖1 為電池組模型。

3.2 仿真分析

為了保障進行的仿真試驗具有較高的效率性以及準確性，需要依據(jù)以下的原則進行相應(yīng)的電池模型簡化，以及進行合理的假設(shè)。

首先需要保障電池的密度、比熱容以及導(dǎo)熱的系數(shù)，在使用的過程中不會受到外界溫度的影響而發(fā)生變化。之后電池所產(chǎn)生的實際熱量上，需要絕大部分都被冷卻液所吸收，并在計算的過程中，可以忽略電池同外殼之間的熱交換。冷卻液是一種理想的液體，為此其熱物性能參數(shù)不會受到外界溫度的影響。同時在對邊界條件進行設(shè)計的過程中，需要對其冷卻系統(tǒng)的實際冷卻效果進行檢驗，并對在夏季的高溫環(huán)境下進行模擬測試。在操作的過程中，需要將系統(tǒng)的初始溫度設(shè)定為40 攝氏度，之后還需要對電池進行大功率的模擬，以此到達電池的極限工況，之后再去電池在5C 放電倍率下進行仿真試驗。同時還要取電池的實際發(fā)熱功率進行相關(guān)計算，對于冷卻液的流速上，設(shè)定為0.5m/s，由于設(shè)定的初始溫度為40 攝氏度，為此在冷卻液的入口位置，實際溫度為25 攝氏度。

在進行液體流動模型的建立過程中，需要依據(jù)冷卻液在水冷板中的流動狀態(tài)進行決定，為此需要針對雷諾方程進行模型的確定。

為了保障能夠在設(shè)定好的邊界條件下，進行相應(yīng)的仿真試驗，以此獲取到電池組在使用的過程中，放電終止之后電池表面溫度的實際分布，以此來繪制出電池在放電過程中，電池組的最高溫度與最低溫度的實際變化。具體的變化如下圖2 所示。

如上圖2 所示，在電池組放電的過程中，實際最高的溫度在29 攝氏度左右，該溫度出現(xiàn)在電池組的上方位置，這樣的原因是由于電池本質(zhì)上是一種不良的導(dǎo)熱介質(zhì)，同時該部位遠離水冷板，以此造成了熱量傳遞的不佳，因此該處的溫度較高。而電池組最低溫度為25 攝氏度左右。這個溫度出現(xiàn)在電池同水冷板的接觸位置，且十分靠近冷卻液的入口處位置。這里溫度的最低，是由于在這個位置有著較強的換熱能力，為此該處的溫度達到了最低，擁有著較強的熱量交換效果。在電池放電終止之后，對電池組的最高溫度與最低溫度進行溫度差的計算，實際的溫度差在3 攝氏度左右，因此符合鋰離子在工作的過程中，最佳的溫度差為5 攝氏度以下的標準。

4 液冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在對于電池組的溫度情況進行分析之后，由于在電池靠近水冷板的位置有著較好的溫度控制，而在遠離水冷板的一側(cè)導(dǎo)熱效果不佳，這種情況的發(fā)生是由于電池是一種導(dǎo)熱性質(zhì)不好的介質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)較低，使得無法將一側(cè)的熱量傳遞到另一側(cè)，因此冷卻液無法很好的吸收電池所發(fā)出的熱量，因此讓電池溫度升高。因此需要進一步的對其電池結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以此讓冷卻液能夠高效吸收熱量，讓電池在放電的過程中，保持溫度的一致性。在設(shè)計出的全新冷卻系統(tǒng)的機構(gòu)中，需要主要是采用，在電池的頂部位置，進行微型水冷管路的安裝，從而解決上部沒有同水冷板接觸的溫度，進而解決在發(fā)熱的過程中存在的溫度不均的問題。同時，為了進一步的對結(jié)構(gòu)支路冷卻液流量發(fā)生變化的問題進行處理，需要安裝一些小型的節(jié)流閥，以此來對每一個入口處進行流速的控制，這樣最大化的優(yōu)化液冷系統(tǒng)。

在優(yōu)化的過程中，還需保持原始的邊界條件不發(fā)生相應(yīng)的變化，同時再將優(yōu)化后的液冷系統(tǒng)，以及電池組進行仿真模擬，從而對其進行網(wǎng)格的劃分，以形成仿真的實驗分析。

在分析的過程中，發(fā)現(xiàn)放電在終止之后，實際的最高溫度在26 攝氏度左右，因此比優(yōu)化設(shè)計之前，降低了2 攝氏度左右，而最低溫度也在25 攝氏度左右，降低了不到1 攝氏度，同時將最大的溫度差降低到了1 攝氏度左右，為此形成了良好的優(yōu)化效果。之后為了進一步的對優(yōu)化設(shè)計進行合理性的分析，還對兩組不同的溫度差進行了詳細的對比，以得出優(yōu)化方案可以很好的解決溫度不均勻的現(xiàn)象。

5 結(jié)語

綜上所述，在對純電動汽車動力電池組液冷系統(tǒng)優(yōu)化及冷卻性能分析過程中，為了進一步的提升電池的使用壽命以及使用過程中的安全性，就需要對其發(fā)生的溫度不均勻問題進行解決，本文采用對冷卻系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式進行處理。