電動汽車動力電池的結(jié)構(gòu)散熱分析

李冰林

摘 要：電動汽車的動力電池組的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計會影響其散熱均勻性。論文針對40個呈5×8排列的動力電池組散熱結(jié)構(gòu)布局進行設(shè)計，并建立了其液冷仿真模型，對比研究串聯(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)布局時相應(yīng)的值都要小，說明該形式能有效提高電池組的散熱效果，改善熱均勻性。最后通過對比三種不同的混聯(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)

中圖分類號：U469.72+2? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? 文章編號：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，作為電動汽車的動力電池具有優(yōu)勢，但溫度是影響電池性能的關(guān)鍵因素，溫度過高容易導(dǎo)致熱失控，造成大的安全事故[1]。因此，散熱系統(tǒng)的設(shè)計對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，保障動力電池的安全運行至關(guān)重要。當(dāng)前動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]。還有通過空調(diào)的方式對電池組進行熱管理的方式來保障電池的穩(wěn)定安全運行[4]。然而在液冷散熱結(jié)構(gòu)布局的聯(lián)接方式對比上，研究報道較少[1]。

為此本文主要針對電池組的液冷內(nèi)部液流循環(huán)方式進行研究，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，對比研究各循環(huán)通路的結(jié)構(gòu)布局方式對散熱效果的影響，為系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1.散熱結(jié)構(gòu)布局方式的設(shè)計

鋰電池的熱量產(chǎn)生通常被認為包括：反應(yīng)熱，極化熱，副反應(yīng)熱，焦耳熱。主動式液冷系統(tǒng)換熱方式中，串聯(lián)方式液冷回路過長，后端電池達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于集中，散熱效果會打折扣。

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5×8的電池進行散熱效果的研究。其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，冷卻液由泵帶動，吸收電池?zé)崃?，流?jīng)散熱器，通過散熱器向外散熱，使冷卻液溫度降低，再次通過泵流過電池組，如此往復(fù)循環(huán)。混聯(lián)的形式可以根據(jù)電池組散熱通道進行不同的連接形式，本文所設(shè)計中的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)再進行串聯(lián)，如圖1中a）所示，方式二：兩路之間并聯(lián)再進行串聯(lián)，如圖1中b）所示，方式三：交錯串聯(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、冷卻系統(tǒng)庫等專業(yè)庫，能實現(xiàn)對車輛熱管理系統(tǒng)建模。引入AMESim建立電池組的水冷形式仿真模型，并進行動態(tài)仿真，有利于縮短開發(fā)周期和節(jié)約實驗費用。

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)多個電池成一個電池組后，邊緣區(qū)域電池的熱交換條件比中間區(qū)域的要好，電池組溫度場并不是單體電池溫度場的簡單疊加。因此必須對電池散熱的均勻性進行研究，將每一組數(shù)據(jù)的最終電池溫度計算器均方差，計算方式如式（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。通過對比混聯(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)的方式對電池單體溫度的一致性控制散熱效果沒有混聯(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)方式對比

3.2混聯(lián)的三種形式散熱效果分析

為進一步探討不同的混聯(lián)形式對電池散熱效果，分別對圖1中三種混聯(lián)形式進行對比，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行對比。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℃，總體方差對比也是方式一最小，可知混聯(lián)方式一對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數(shù)，使冷卻更均勻，達到減少電池間溫差過大的目的。

4.結(jié)論

論文建立了電池組的熱仿真模型，針對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通過對比混聯(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。

4.2對三種不同混聯(lián)的形式方法進行了散熱效果的對比分析，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：

[1]張劍波，盧蘭光，李哲.車用動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與學(xué)科前沿[J]汽車安全與節(jié)能學(xué)報，2012，3（02）：87-104

[2] Rao Z ， Wang S . A review of power battery thermal energy management[J]renewable & sustainable energy reviews， 2011， 15（9）：4554-4571

[3]薛超坦.基于液冷的純電動汽車鋰電池?zé)峁芾硌芯縖D]吉林大學(xué)，2017

[4]張浩，羅志民，宋韓龍，等.電動車動力鋰離子電池水冷系統(tǒng)研究[J]汽車實用技術(shù)，2017（6）：47-50

[5]何賢，胡靜，蘇健，錢程，沙海建.動力電池液冷系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究[J]制冷與空調(diào)，2019，19（09）：22-27+31