汽車動力電池液冷散熱過程數(shù)值模擬

0 前言

動力電池作為電動汽車的動力來源，已經(jīng)成為電動汽車的核心技術(shù)之一

。鋰離子電池因其能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛用于車載動力電池組中

。但是動力電池的工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，而過多的熱量會影響動力電池的正常工作，因此如何在動力電池工作過程中對其進行有效散熱已經(jīng)成為一個重要課題

。

隨著動力電池的地位日趨重要，眾多學(xué)者對動力電池的散熱進行了研究。李世林

對冷卻液入口溫度、流速和截面形狀對電池組冷卻效果的影響進行對比分析。分析表明，在邊界條件相同的情況下，較低的入口溫度和較大的入口流速能帶來更好的冷卻效果。周科

探究了銅管/鋁板冷卻、鋁管/鋁板冷卻、塑料管/鋁板冷卻對電池組溫度的影響，研究結(jié)果表明銅管/鋁板冷卻能高效地對電動汽車用動力電池進行熱管理且容易在工程中生產(chǎn)應(yīng)用。蔡森林

以方形鋰離子電池組為研究對象，建立液冷式鋰離子電池組冷卻系統(tǒng)的仿真模型，對液冷板結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。袁航

設(shè)計了一種液冷散熱的新方法,考慮到沿液冷管道,經(jīng)過熱量的累積,末端的溫度高于前端,因此在沿流道方向設(shè)定接觸面積階梯變化的散熱鋁塊,電池?zé)崃客ㄟ^鋁塊傳遞到液冷管道,顯著改善溫度的均勻性。

桑料再一次被點燃，這一次只有一小堆，盛放在一只銅盤內(nèi)。銅盤直徑不足尺，底部的支架造型是兩只銅制的羽人，它們相向跪坐，共同將銅盤托起。桑料在銅盤內(nèi)陰燃著，沒有火焰，只有藍色的火星忽明忽暗。

本文利用對液冷板散熱過程和熱管與冷卻器組合散熱過程進行了數(shù)值模擬，得到了電池組與液冷板有效接觸面積越大以及冷卻液流速越快，散熱效率越高；熱管和電池冷卻器組合散熱效率高于液冷散熱；在高溫環(huán)境中熱管和冷卻器的組合方式降溫效果好，速度快，散熱效果優(yōu)于液冷。

1 汽車動力電池不同的散熱方式：

目前汽車電池主要散熱方式有三種：自然對流、風(fēng)冷、液冷

。其中自然對流和風(fēng)冷都是以氣體(空氣)為傳熱介質(zhì)，采用氣體(空氣)作為傳熱介質(zhì)的主要優(yōu)點有：結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，有害氣體產(chǎn)生時能有效通風(fēng)，成本較低；不足之處在于：與電池壁面之間換熱系數(shù)低，冷卻速度慢，效率較低，目前應(yīng)用較多

。相對于風(fēng)冷散熱電池，液冷電池方式效率遠高于風(fēng)冷散熱，風(fēng)冷電池散熱效率主要取決于風(fēng)道的設(shè)計與電池的擺放方式，而液冷電池散熱效率主要取決于液冷管道的排布方式

。

2 液冷散熱過程數(shù)值模擬

2.1 液冷排布方式的比較

工況七：當(dāng)液冷板和空調(diào)冷卻器共同運行時，電池組最高溫度為25.33℃，溫升0.33℃，溫度分布圖如圖9。

熱管導(dǎo)熱則利用熱管的強大導(dǎo)熱能力將電池組的熱量傳遞出去，熱管是一種新型的電池導(dǎo)熱及冷卻方式，具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，質(zhì)量小，導(dǎo)熱效率高等優(yōu)點，有很大的應(yīng)用前景。

工況二：當(dāng)下液冷板單獨運行時，流量為2L/min，液冷板有效接觸面積為0.096m

，電池模組最高溫度為27.83℃，溫升2.83℃，溫度分布圖如圖2。

工況五：當(dāng)空調(diào)冷卻器單獨運行時，電池組最高溫度為25.37℃，溫升0.37℃，溫度分布圖如圖7。

工況四：當(dāng)兩塊液冷板同時運行時，流量各為2L/min，液冷板有效接觸面積為0.747m

，電池模組最高溫度為26.37℃，溫升1.37℃，溫度分布圖如圖2。

將以上四個分析結(jié)果匯總于表1，由表1可知，電池組與液冷板有效接觸面積越大和冷卻液流速越快，溫升越低散熱效率越高。

我國政府對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展策略主要有：第一，改革開放前提出“超前共產(chǎn)主義”均衡發(fā)展戰(zhàn)略。第二，改革開放后實行非均衡發(fā)展戰(zhàn)略，提出優(yōu)先發(fā)展東部沿海地區(qū)，先讓一部分人富起來，“先富”帶動“后富”。第三，為縮小東、中、西部之間經(jīng)濟發(fā)展的差距，提出“振興東北老工業(yè)基地”“西部大開發(fā)”“促進中部地區(qū)崛起”等戰(zhàn)略，促進東、中、西部協(xié)調(diào)發(fā)展。第四，現(xiàn)階段區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略已是我國地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要方向，十八屆五中全會提出“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”理念；十九大工作報告中又明確指出，要“貫徹新發(fā)展理念，實施區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略，建立更加有效的區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展新機制”。

式中，K0和 K0′分別為節(jié)點正向和反向加載彈性段初始剛度，即各試件骨架曲線正向加載彈性段實測數(shù)據(jù)線性擬合所得直線斜率。Δ1和Δ1′為節(jié)點正向加載點1與反向加載點1′對應(yīng)的位移。

2.2 熱管的散熱效果

工況一：當(dāng)上液冷板單獨運行時，流量為2L/min，液冷板有效接觸面積為0.651m

，電池模組最高溫度為27.15℃，溫升2.15℃，溫度分布圖如圖2。

熱管散熱模擬中除了電池夾層液冷板更換為熱管和鋁板冷卻板外，其余結(jié)構(gòu)和材料均保持不變。熱管另一端連接電池冷卻器，電池冷卻器冷媒溫度設(shè)定為25℃，熱管結(jié)構(gòu)如圖6。冷卻液物性參數(shù)與之前保持一致，單個電池包材料假設(shè)為純鋁，液冷板與方形電池之間的導(dǎo)熱硅膠墊熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為3.5 W/(m·K)，仿真環(huán)境為25℃，常規(guī)熱管的熱流密度極限為0-4000000W/(m·K)，熱管導(dǎo)熱系數(shù)取恒定值為500000W/(m·K)。

工況三：兩塊液冷板同時運行，總流量為2L/min，液冷板有效接觸面積為0.747m

，電池模組最高溫度為27.09℃，溫升2.09℃，溫度分布圖如圖4。

工況六：當(dāng)液冷板單獨運行時，電池組最高溫度為27.26℃，溫升2.26℃，溫度分布圖如圖8。

本文采用的單個方形電池的長寬高為100mm×20mm×155mm，散熱方式為液冷板液冷散熱，包含48個方形電池包，單個電池包熱功率設(shè)為2.5W，液冷板中的冷卻液流量為2L/min，冷卻液采用乙二醇與水混合物，導(dǎo)熱系數(shù)按照常用冷卻液物性，設(shè)0.3W/(m·K)，單個電池包材料為純鋁，液冷板與方形電池之間的導(dǎo)熱硅膠墊熱傳導(dǎo)系數(shù)3.5W/(m·K)，仿真環(huán)境為25℃。冷卻板裝配方式如圖1，如圖1所示右側(cè)為上液冷板進水口與出水口，下邊為下液冷板進水口與出水口。

將以上三個分析結(jié)果匯總于表2，由表2可知，利用熱管和電池冷卻器配合散熱效率高于液冷散熱，即使電池冷卻器不工作，只要熱管布置在散熱夾層鋁板中，單獨運行下側(cè)液冷板，散熱效率也高于不加熱管的液冷散熱。

終端設(shè)備是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)載體，通過安裝智能控制器，可突破電力線載波通信受限于照明控制箱（箱變）的缺點，提高單燈控制的穩(wěn)定性、實時性和靈活性。通過手機APP，可以實現(xiàn)對每一盞燈的開關(guān)及調(diào)光等節(jié)能控制

新時代統(tǒng)一戰(zhàn)線的戰(zhàn)略定位與發(fā)展圖景——從“愛國統(tǒng)一戰(zhàn)線”到“中華民族偉大復(fù)興統(tǒng)一戰(zhàn)線” …………………… 林華山（1·19）

因此很多的高校還在校辦企業(yè)和引企入校的基礎(chǔ)上，建立合作企業(yè)來推廣現(xiàn)代學(xué)徒制，滿足大部分專業(yè)的實習(xí)實踐需求。

唐氏篩查結(jié)果為“高危”的孕媽媽，需要確診胎兒是否為唐氏綜合征患兒。目前產(chǎn)前診斷最常用的技術(shù)是羊膜腔穿刺技術(shù)，即在B超指引下，將針通過孕婦腹部刺入羊水中，抽取羊水，對胎兒細胞進行染色體分析。如染色體分析確診為唐氏兒，則建議中止妊娠。

2.3 液冷與熱管的高溫散熱模擬

為了比較液冷板和熱管加散熱板在高溫下的散熱性能，本文在40℃的情況下設(shè)計了兩個工況：工況八模擬25℃的冷卻液給電池降溫，瞬態(tài)時間設(shè)置為1分鐘。工況九模擬電池冷卻器內(nèi)的25℃冷媒通過熱管傳導(dǎo)給電池降溫。其余結(jié)構(gòu)和材料保持不變。

工況八：在40℃情況下，60s時電池溫升為0.16℃，工況八的電池組切面溫度分布和表面溫度分布如圖10-11。

工況九：在40℃情況下，60s時，電池溫升為-3.14℃， 工況九的電池組切面溫度分布和表面溫度分布如圖12-13。

將以上兩個分析結(jié)果匯總于表3，由表3可知：用25℃的冷卻液給電池降溫，電池溫度并沒有下降，反而由于自身發(fā)熱功率電池組溫度上升了0.16℃，因此液冷方式在短時間內(nèi)無法對電池組進行有效散熱。熱管和冷卻器的組合，在60秒內(nèi)使電池溫度下降了3.14攝氏度，因此熱管和冷卻器的組合方式降溫效果好，速度快，散熱效果優(yōu)于液冷。

3 結(jié)論

在保證熱管導(dǎo)熱系數(shù)和液冷管冷卻液流速相對固定的前提下，冷媒和冷卻液采用相同溫度，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可以得到如下結(jié)果：

(1)電池組與液冷板有效接觸面積越大以及冷卻液流速越快，散熱效率越高；

(2)利用熱管和電池冷卻器配合散熱效率高于液冷散熱，即使電池冷卻器不工作，只要熱管布置在散熱夾層鋁板中，單獨運行下側(cè)液冷板，散熱效率也高于不加熱管的液冷散熱。

(3)在高溫情況下，液冷在短期內(nèi)無法降低電池的溫度，電池由于自身功率可能溫度還會上升一點，但是熱管的降溫效果好，速度快，散熱效率優(yōu)于液冷。

(4)結(jié)果類比分析，最優(yōu)的散熱組合應(yīng)該是液冷加熱管散熱，熱管連接電池冷卻器，高溫環(huán)境下，啟用電池冷卻器和液冷，通過熱管導(dǎo)熱，利用冷媒和冷卻液給電池控溫，散熱效率高，速度快。

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