汽車動(dòng)力電池組熱特性及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

0 引言

隨著能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的惡化，純電動(dòng)汽車得到快速發(fā)展，在純電動(dòng)汽車中，鋰電池是重要的動(dòng)力裝置，其優(yōu)點(diǎn)在于環(huán)保性強(qiáng)、可循環(huán)充電，具有廣闊的發(fā)展前景。但是純電動(dòng)汽車能源供給依賴于鋰電池，但是鋰電池工作對(duì)于溫度要求較高，一旦電池溫差超過范圍值很容易出現(xiàn)熱失控問題，甚至引起電池爆炸等安全事故。因此，對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組熱特性及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究具有重要的意義。

1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組溫度來源是十分關(guān)鍵的問題，如果電池運(yùn)行環(huán)境溫度過低。電池內(nèi)阻變化加大，電池溫差增加，如果電池運(yùn)行環(huán)境溫度過高，這引起熱失控，引發(fā)電池爆炸等安全事故。由于電池對(duì)溫度的變化十分敏感，因此，需要對(duì)電池組熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而提高電池溫度穩(wěn)定性。當(dāng)前，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組熱管理系統(tǒng)根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同主要分為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻以及熱管冷卻散熱系統(tǒng)，冷卻方式主要有主動(dòng)冷卻、被動(dòng)冷卻兩種方式。

首先，風(fēng)冷散熱指的是以空氣為傳送介質(zhì)，通過空氣流動(dòng)，將電池運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量帶走。這種散熱模式下又分為串行散熱和并行散熱兩種方式。具體如圖1所示。

當(dāng)天晚上，小蟲和玉敏去了姑媽家。兩人散著步，一路看著凌州夜景。夜晚的凌州華燈齊放，流光溢彩，整座城市晶瑩剔透，艷麗華美，勞累的人們從工作中解脫出來，在燈紅酒綠中釋放疲憊和激情。小蟲說，凌州人真他媽的幸福死了。玉敏說我們是沒指望了，沒鉆戒這事也沒指望。

其次，液冷散熱，即以液體為介質(zhì)，通過將液體與電池產(chǎn)生直接或間接接觸將電池產(chǎn)生的熱量帶走。與風(fēng)冷散熱相比，液冷散熱效果更加理想，尤其是在高溫環(huán)境下，由于外界溫度本身較高，風(fēng)冷散熱難以達(dá)到較好的散熱效果，而液冷散熱優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)

。液冷散熱結(jié)構(gòu)主要有被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種方式，具體如圖2所示。

通過仿真，得出，電池單體以2C放電時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行散熱，使電池處于適宜的溫度下進(jìn)行工作，而對(duì)于電池組，產(chǎn)生的熱量還會(huì)進(jìn)一步增加，這就更需要采取措施對(duì)電池組進(jìn)行降溫。

再次，相變材料散熱。相變材料指的是在一定溫度條件下，知識(shí)物理狀態(tài)發(fā)生改變的物質(zhì)材料，這種材料在物理狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)通過與周圍接觸物體進(jìn)行熱量交換，恢復(fù)自身溫度，在日常生活中，石蠟、脂肪酸等都是常見的相變材料。而將這些相比材料應(yīng)用到動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)中，可以通過相同材料的相變散熱實(shí)現(xiàn)電池組的熱管理。

正是由于對(duì)短篇小說的偏愛，導(dǎo)致小編年輕的時(shí)候，沒有把《武俠版》上連載的長篇讀完，最后竟然因此幸運(yùn)地沒有掉進(jìn)《山河》的十年大坑……

第一，密度與比熱容。鋰離子電池單位熱模型的構(gòu)建需要對(duì)所用材料熱物性參數(shù)進(jìn)行確定，包括電池密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及生熱速率。為了保障各個(gè)熱物性參數(shù)的科學(xué)性，本研究采取加權(quán)評(píng)價(jià)法來對(duì)各參數(shù)進(jìn)行及時(shí)，結(jié)合大量資料查詢，最終得出電池材料熱物性參數(shù)如表1所示。

2 鋰離子動(dòng)力電池組熱特性分析

2.1 鋰離子電池工作原理

鋰離子電子并非指的是金屬鋰的電池，其組成材料負(fù)極為碳素材料，正極為含鋰的化合物，只有鋰離子，因此成為鋰電池。鋰離子電池故障包括放電和充電，其工作原理主要是鋰離子的嵌入和脫嵌，在這過程中，伴隨與鋰離子等量電子的嵌入、脫嵌。在充電過程中，鋰離子從正極材料脫離，通過中間隔膜移動(dòng)到負(fù)極方向，并與負(fù)極電子相結(jié)合，由Li

還原成Li，同時(shí)Li嵌入到負(fù)極碳材料的微孔中，隨著Li的不斷聚集，完成電池充電；放電過程與充電過程恰好相反，是Li

由負(fù)極移動(dòng)到正極，并存儲(chǔ)在正極材料中，完成放電

。具體如圖3所示。

2.2 鋰離子電池化結(jié)構(gòu)

常見的鋰離子電池主要有圓柱形和方形兩種，本文以圓柱形鋰離子電子為例進(jìn)行研究。圓柱形鋰離子結(jié)構(gòu)如圖4所示，鋰電子電池正負(fù)極與隔膜被纏繞在負(fù)極柱上，然后將其裝到圓柱形殼內(nèi)，再注入電解液，最后進(jìn)行封口，完成成品。其中，電池主要部件有正極、PTC元件、絕緣板、保護(hù)閥、隔膜板、墊片等。

2.3 鋰離子電池失效機(jī)理

濕地生態(tài)旅游開發(fā)需要強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，需要政府的政策支持。濕地生態(tài)旅游開發(fā)是一個(gè)綜合性工作，需要協(xié)調(diào)調(diào)度多個(gè)部門的力量，要有強(qiáng)有力的政策措施。濕地生態(tài)旅游依托的對(duì)象是濕地，必須做好退耕還濕工作，加快濕地生態(tài)恢復(fù)步伐，保證濕地的規(guī)模和質(zhì)量，做好濕地旅游宣傳，彰顯濕地魅力。

第三，電池過度充電。鋰電子電池如果在充電過程中充電過度，會(huì)引起電池正極缺氧，活性物質(zhì)被大量消耗，同時(shí)產(chǎn)生不容物質(zhì)直接造成電池孔隙的堵塞等問題，使得電池中的鋰離子大量降低

。

第二，電解液分解。當(dāng)前純電動(dòng)汽車鋰電池電解液主要由鋰鹽組成的電解質(zhì)以及其他有機(jī)酸混合物共同組成的溶劑。在鋰電池充電過程中，電池負(fù)極不斷發(fā)生還原反應(yīng)，會(huì)對(duì)電解液產(chǎn)生一定的損耗，長期下來也會(huì)影響電池使用壽命。

第一，正負(fù)極出現(xiàn)裂紋。在鋰離子電池工作時(shí)由于熱量的聚積，電池正負(fù)極會(huì)不斷膨脹，而一旦電池停止工作或者遇冷，又會(huì)產(chǎn)生收縮反應(yīng)，持續(xù)熱脹冷縮容易引起正負(fù)極出現(xiàn)裂紋，影響電池性能。

第四，集流體的腐蝕。在鋰離子電池中，通常采用銅或者鋁作為集流體材料，但是在日常使用中，這兩種材料很容易出現(xiàn)腐蝕，而一旦腐蝕就會(huì)造成電池內(nèi)阻增加，電池容量降低。

2.4 鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)確定

最后，熱管散熱。這種散熱方式指的是在無外界動(dòng)力條件下，利用較小的截面積將電池組內(nèi)大量的熱量傳輸出去，其優(yōu)勢有：導(dǎo)熱性強(qiáng)、熱流密度可變、熱流方向可逆等。當(dāng)前關(guān)于熱管散熱的研究主要有回路型重力熱管、燒結(jié)熱管、脈動(dòng)熱管以及平板環(huán)路熱管幾種類型。

鋰電池內(nèi)芯密度的計(jì)算，首先通過電池材料質(zhì)量比上材料體積獲得不同材料的密度，最后再進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，得出，電池等效密度為1825kg/m

。

第一，對(duì)流換熱理論，該理論反映了復(fù)雜的熱量傳遞過程，其表達(dá)式為：φ=hA（T

-T

）

本文研究的電池中，所用材料主要是由鋁制外殼、正負(fù)極圖層、電解液、隔膜以及極柱構(gòu)成，對(duì)其進(jìn)行熱模型仿真時(shí)，為了降低仿真難度，選擇將電池內(nèi)部混合材料均勻化，最終計(jì)算出電池等效比熱容為1125J/kg.K。

第二，導(dǎo)熱系數(shù)。根據(jù)電池制作工作，在進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算時(shí)采用與計(jì)算電力等效電阻的方法，通過計(jì)算得出，電池單體三個(gè)維度的導(dǎo)熱系數(shù)分別為1.7、1.7、8.3W/m.K。

2.5 電池三維熱模型仿真

通過對(duì)鋰電池特性的了解可以得知，外界溫度月底，電池內(nèi)部電解液活性越低，電池內(nèi)阻越大，造成在放電過程中電池產(chǎn)生的熱量堆積。鋰電池充放電最佳溫度為25-45攝氏度范圍內(nèi)，才會(huì)改善這一狀況。本研究通過對(duì)電池單體及電池模組建立熱模型，并對(duì)其相同溫度下，不同放電倍率下棋溫度場分布情況進(jìn)行分析，從而研究電池單體在不同時(shí)刻的溫度變化特性，以及最高穩(wěn)定、最大溫差。

1.當(dāng)局者迷，旁觀者不敢說。2.山不厭高，水不厭深，錢不厭多。3.仕途漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下打點(diǎn)去。4.眾里尋她千百度，驀然回首，那人正在大款豪車處。5.子在川上曰：污染如斯乎！6.井水不犯河水，河水污染井水。7.天下英雄誰敵手？沒有！老子就是一把手。8.已所不欲，推給別人。

（1）鉆孔時(shí)，使鉆孔機(jī)瞄準(zhǔn)孔位，使用水平尺使機(jī)身高度、襯墊牢固，并襯墊機(jī)架?？椎钠畈粦?yīng)大于10cm，防滲墻的孔斜度不應(yīng)大于2%。鉆進(jìn)過程應(yīng)完全記錄。

式中：(σn-ua)為凈法向應(yīng)力；Θ=θ/θs為歸一化體積含水率；θ為體積含水率；θs為飽和體積含水率；τf為土體破壞時(shí)，破壞面上的剪應(yīng)力；c′為有效黏聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；ua為孔隙氣壓力；uw為孔隙水壓力。

3 鋰離子動(dòng)力電池組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

3.1 電池組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們已知?jiǎng)恿﹄姵亟M散熱方式共有風(fēng)冷散熱、液冷散熱、相變材料散熱以及熱管散熱，而風(fēng)冷散熱效果較差，相變材料散熱以及熱管散熱具有較好的散熱效果，但是考慮其成本較高，在日常電池組中并不多見，因此，最終選擇液冷散熱。液冷散熱系統(tǒng)不僅具有較好的冷卻效果，同時(shí)成本也較低，被廣泛應(yīng)用在純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)中。

液冷散熱有直接接觸式液冷和間接接觸式液冷，由于直接接觸式對(duì)冷卻液有很高的要求，同時(shí)對(duì)電池包絕緣設(shè)計(jì)也很高的要求，不容易實(shí)現(xiàn)，因此采用間接接觸式液冷。關(guān)于間接式液冷卻方式其工作原理是通過流道與電池接觸，將電池產(chǎn)生的熱量帶走。關(guān)于電池組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要綜合考慮多種因素，例如確保也冷板與動(dòng)力電池有足夠的換熱面積、液冷版成本要求等問題

。

3.2 流體冷卻理論

流體冷卻理論主要包括以下幾方面：

三要大力普及推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，提高用水效率和效益。把發(fā)展節(jié)水灌溉作為一項(xiàng)根本性措施，作為發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)性條件，以北方缺水地區(qū)為重點(diǎn)，積極推廣管道輸水、噴灌、微灌等高效節(jié)水灌溉技術(shù)，大力發(fā)展節(jié)水型設(shè)施農(nóng)業(yè)和旱作農(nóng)業(yè)，組織實(shí)施東北四省區(qū)節(jié)水增糧行動(dòng)，確?！笆濉逼陂g新增高效節(jié)水灌溉面積5000萬畝，力爭實(shí)現(xiàn)新增1億畝的目標(biāo)。建立健全農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理制度，加強(qiáng)用水計(jì)量設(shè)施建設(shè)，改進(jìn)水費(fèi)計(jì)收手段，抓好輸水和灌溉各個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)水。積極研發(fā)具有中國特色、適合國情、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備，推動(dòng)節(jié)水灌溉技術(shù)裝備規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

通過運(yùn)用該理論可以得知，影響對(duì)流換熱的核心因素為對(duì)流換熱吸收h，而影響h的因素主要有流體流動(dòng)起因、狀態(tài)、物理性質(zhì)、有無相變以及換熱表面集合因素；

第二，冷卻液換熱量。其表達(dá)式為：Q=mC

ΔT

從理論上來說，鋰離子不會(huì)產(chǎn)生可逆消耗反應(yīng)，但是在鋰離子電池實(shí)際工作中，鋰離子一直處于被消耗的狀態(tài)，同時(shí)在電池工作過程中，由于溫度的升高進(jìn)一步加劇了這種反應(yīng)，而鋰離子隨著消耗越來越少，引起電池性能受損，電池容量減少。其主要原因有以下幾點(diǎn)：

對(duì)巡檢的行走路徑進(jìn)行管理，既可以考核設(shè)備主人巡線過程的到位情況、巡線時(shí)間、巡線速度、巡檢信息采集，也可以將多次的軌跡進(jìn)行管理，制定山區(qū)桿塔的導(dǎo)航路徑，為不熟悉桿塔路徑的其他人員，提供數(shù)據(jù)支撐。

對(duì)于銀行監(jiān)管部門來說，監(jiān)管部門根據(jù)縣域村鎮(zhèn)銀行的各項(xiàng)經(jīng)營和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行綜合排名，根據(jù)排名狀況將村鎮(zhèn)銀行劃分為:好(Ⅰ)、中(Ⅱ)、差(Ⅲ)三類，三類主體的經(jīng)營狀況和風(fēng)險(xiǎn)水平均有較大差異，其中Ⅰ類村鎮(zhèn)銀行經(jīng)營狀況良好，風(fēng)險(xiǎn)水平較低;Ⅲ類村鎮(zhèn)銀行經(jīng)營狀況最差，風(fēng)險(xiǎn)問題突出;Ⅱ類村鎮(zhèn)銀行屬于中等水平。假定監(jiān)管技術(shù)對(duì)三類村鎮(zhèn)銀行的監(jiān)管效果具有同質(zhì)性，監(jiān)管部門對(duì)II類村鎮(zhèn)銀行維持監(jiān)管強(qiáng)度θ不變，對(duì)I類監(jiān)管強(qiáng)度低于θ，對(duì)Ⅲ類監(jiān)管強(qiáng)度高于θ，并且分類監(jiān)管下總成本與常規(guī)監(jiān)管總成本相同。

在該表達(dá)式中，Q代表流體換熱量大小，對(duì)于電池組設(shè)計(jì)其溫差要求為5K以下，在本研究中采用的溫差值為3k；

3.3 電池組液冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文在進(jìn)行電池組液冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用的是板式液冷版，通過將液冷板置于電池組下方，通過液液冷板將電池?zé)崃總鬟f給冷卻液，從而達(dá)到散熱效果。液冷板初步設(shè)計(jì)如下：設(shè)置流道直徑為5mm，共由5條流道構(gòu)成，將其均勻分布在液冷板板中，同時(shí)，綜合考慮其導(dǎo)熱性和輕量化需求，本文采用鋁材質(zhì)液冷板，液冷板散熱系統(tǒng)模型采用的是四面體網(wǎng)格劃分散熱系統(tǒng)。

根據(jù)前面所提到的各材料物性參數(shù)，本研究將冷卻液初始溫度設(shè)置為27攝氏度。在流道長度的計(jì)算方面，根據(jù)其橫截面的不同采取不同的計(jì)算方法，本文采用的流道橫截面為原型，流速設(shè)置為2m每秒，出口邊界條件選擇壓力類型，背壓為零，其他選擇默認(rèn)設(shè)置。

泰森接過紙條看了看，然后從褲袋里摸出了一只氣體打火機(jī)，把紙條點(diǎn)燃了。一時(shí)間，我們?nèi)齻€(gè)人都沒有說話，望著藍(lán)瑩瑩的火苗無聲地舔食著紙條，最后化作一縷灰燼飄然落下。

3.4 電池組液冷散熱系統(tǒng)仿真

通過對(duì)電池組液冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真可以看出，電池組溫度分布情況具體如下：電池組分布與液冷板距離有直接關(guān)系，距離越近，溫度越低，反之則溫度越高。對(duì)比電池組中心最高溫與冷卻液入口最低溫，二者差值達(dá)27.7K，結(jié)果說明液冷板的確起到了一定的降溫效果，但是只是局部有效，電池組中心溫度未能夠較好降溫。

對(duì)流體流場進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，流體中心速度最大，越接近流道壁面其流速越低，其主要原因是因?yàn)榱黧w與流道壁面接觸會(huì)受到較大阻力，影響其速度，即在對(duì)流換熱時(shí)，流體與壁面固體的接觸會(huì)形成薄薄的靜止流體

。

綜上所述，電池組液冷散熱系統(tǒng)模式雖然具備一定的散熱效果，但是整體來看，由于電池組中心出溫度依然處于較高水平，因此還有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 電池組散熱系統(tǒng)優(yōu)化措施

首先，關(guān)于電池組散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。通過改變電池組排列方式，使電池組中心位置近距離接觸液冷板，以達(dá)到良好的降溫效果。

其次，液冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過考慮電池組溫度均勻性，可以對(duì)液冷板采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用兩塊相同的液冷板，設(shè)置在電池組上下面。

最后，液冷板流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在設(shè)計(jì)之初，流道設(shè)置為5mm，管徑相對(duì)較小，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，改為8mm，再次進(jìn)行仿真發(fā)現(xiàn)此時(shí)電池組整體溫度呈現(xiàn)出大幅下降，最大溫差為5.1k，十分接近設(shè)計(jì)要求，因此，后期設(shè)置流道管徑為8mm。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著純電動(dòng)汽車的發(fā)展與普及，人們對(duì)動(dòng)力電池要求也提出了更高的要求。由于動(dòng)力電池工作與溫度有著直接關(guān)系，因此，通過對(duì)電池組溫度影響因素進(jìn)行分析，并進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，增強(qiáng)電池組散熱效果，推動(dòng)我國純電動(dòng)汽車的進(jìn)一步發(fā)展。

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