一种车用动力电池流场与散热设计分析

李波

摘 要：车用动力电池技术的发展带动着新能源汽车行业的兴起，动力电池性能很大程度上受温度的影响。文章设计了一种车用动力电池排列方式，用液冷方式对其散热，通过仿真分析液体冷却中不同的冷却液流速和不同的液体流场对电池组散热的影响。仿真分析得出：在一定范围内随着冷却液流速的增加，电池组温度有效降低且电池组之间的温差较小；不同的液体流向也会影响电池组的散热情况。

关键词：动力电池；电池液冷；液体流速；散热分析

中图分类号：TM912.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）30-0038-03

新能源汽车的兴起已是社会发展的必然趋势，不仅能减少人们对化石燃料的依赖，还能降低汽车尾气的排放，有效改善环境质量[1]。车用动力电池技术是新能源汽车领域中关键技术之一，车用动力电池的性能直接影响了新能源汽车的使用性能[2，3]。电池性能在很大程度上受到温度的影响，温度过低会降低化学反应速率、降低电池的SOC值；温度过高会使电池产生不可逆的分解[4]。为保证车用动力电池的工作始终处于有效的温度区间内，就必须拥有科学和高效的热管理系统来提高电池的使用性能[5]。

1985年Bernardi[6]假设电池内部产热率相同且均匀并提出典型的电池发热模型；文献[7]在Bernardi模型的基础上引入了修正因子对模型进行了修正，并指出电池的工作电流和表面对流传热系数都会影响电池的散热；2011年底福特公司研发出了纯电动锂离子电池包，使用液冷热管理方案，大大提升了电池的使用性能和寿命[8]。清华大学冯旭宁[9]等人确认了电池各项异性导热系数，并在液冷却下验证了不同的电池排列方式产生不同的导热系数。文献[10]提出采用冷却盘方式对方形动力电池进行冷却，不同的冷却盘内腔液体流道对电池组的散热具有不同的影响。

本文总结了车用动力电池的生热机理及传热方式，通过仿真分析液体冷却中不同的冷却液流速和不同的液体流场对电池组散热的影响。

1 锂离子电池热管理系统

本文采用了方形锂离子电池，型号为502040，长宽高为5mm×20mm×40mm，电池的热物性参数见表1。

锂离子电池布置与散热方式：

车用动力电车组一共24个电池单体，分6组每组4个电池单体，形成6个方形电池包。电池箱体采用了铝合金材料外部尺寸为82mm×63mm×47mm，箱体侧面厚度1 mm，底面厚度2mm；电池组内部用铝合金挡板固定电池的布置，厚度为0.5 mm，如图1所示。

本文采用液冷却，选取硅油作为变压器油，相应的物理性能参数如表2。

2 車用动力电池散热分析

2.1 液体流速对电池散热效果分析

对上节设计的电池组模型选择下进上出的液体流向。根据仿真结果分析可知，在进出口位置附近的温度较低，散热效果较好，在进液口的上方，由于液体流线在其位置分布较少，降温效果相对较差。

改变液体流速分析其散热情况，流速分别为0.1m/s，0.2m/s和0.3m/s，温度为303K时的温度分布云图如图2所示。

从而得到流速分别为0.1m/s、0.2m/s和0.3m/s的最高温度和平均温度分布折线图如图3所示。

从上面三组不同流速的最高温度对比图可以看出，在同等放电环境下，三种流速下的最高温度均在31℃以下，符合电池工作的最优工作温度范围（25℃～40℃）[11]。液体流速为0.1m/s时，电池组的最高温度达到30.8℃，并且每个电池包的温度比其他两种流速的要高。流速为0.2m/s和0.3m/s时最高温度均保持在一个较为稳定的状态。从中可以得出：其他条件不变的情况下，液体流速越快，电池组的温度越低，电池组之间的温度差越小，电池的冷却效果和均一性越好。

根据平均温度的折线图从表面上来看，流速越快它的平均温度越低，并且电池组温度相对都比较稳定，减少了电池内部的温度差。但过快的液体流速会对电池组产生较大的冲击，会导致电池组的不稳定以及漏电等危险情况。因此，液体流速选取需适度。

2.2 不同的液体流向对电池散热效果分析

上一小节采用了下进上出的液流冷却模型，本节选用上进下出的液流模型进行对比分析，图3为上进下出流向液体流速分别为0.1m/s，0.2m/s和0.3m/s时的温度分布云图。

将图3中的仿真结果与图7进行平行对比分析，在液体流速一定的前提下，分析上进下出与下进上出的进液方式在对应流速的最高温度。

从图中可以看出：图（a）中上进下出的进液方式电池包最高温度比下进上出要高，但电池包的温差要比下进上出的温差小，也就是上进下出电池包的均一性比下进上出电池包的均一性好；图（b）中最高温度仍是上进下出进液模式高些，但其电池包均一性效果不明显；图（c）中上进下出的最高温度普遍高于下进上出模式，电池包均一性效果也未有明显优势。普遍地上进下出的进液模式要比另一种散热效果差，因为在上进下出模式中，由于冷却液的重力作用致使无法在空间内充分地散开，而下进上出模式则需要克服冷却液的重力作用使得冷却液与电池接触时间更长，从而使温度相对较低。

3 结束语

（1）在车用动力电池中，为有效降低电池放电温度，设计了一种动力电池组的排列方法，组合成六个方形电池包。在冷却液冷却仿真试验中能有效地给电池包降温，使得锂电池在最适合的温度下工作。

（2）电池组内的放电温度随着冷却液流速的增加而降低，电池组之间的温度差变小，电池的均一性越好。但超过一定的流速范围，对电池组的稳定性和安全性都会受到一定的影响。

（3）不同的液体流向会影响电池组的散热情况，本文提到的两种液体流向对电池组间的温度差影响不大，而在电池降温过程中，下进上出液流冷却模式要比上进下出模式降温效果好。endprint

参考文献：

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