一种新型风冷电池热管理系统的结构优化

柳佩文

摘要：本文提出了一种新型的风冷热管理系统（BTMS）来提高热管理系统的冷却性能。优化结果表明，与传统Z型风冷热管理系统相比，电池组最高温度降低了2.40K（4.72%），最大温差减小了4.42K（70.89%）。本文提出的优化方式可为电动汽车的电池热管理提供一定的参考价值。

Abstract： A new type of air cooling thermal management system （BTMS） is proposed to improve the cooling performance of the thermal management system. The optimization results show that the maximum temperature of the battery pack is reduced by 2.40k （4.72%） and the maximum temperature difference is reduced by 4.42k （70.89%） compared with the traditional Z-type air cooling and thermal management system. The optimization method proposed in this paper can provide certain reference value for battery thermal management of electric vehicles.

關键词：电池;热管理;风冷

Key words： battery;thermal management;air cooling

中图分类号：TM912                                    文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0028-02

0  引言

动力电池作为电池汽车的关键元件很大程度上影响着电动汽车的性能。但是在电池充放电过程中，电池内部会产生大量热量，如果热量不能被及时散发出去，会造成严重的安全问题，所以热管理对动力电池来说至关重要。风冷热管理系统由于其结构简单、成本低、便于维修等优点而受到研究人员的青睐。Pesaran等人[1]比较了串联风冷和并联风冷的冷却效果，结果表明，并联风冷的冷却性能要优于串联风冷。Park等人[2]讨论和分析了Z型和U型风冷电池热管理系统的散热性能，并通过锥形进出口和增加二次出口进一步改善了热管理系统的散热性能。E等人[3]研究了不同进出口布置方式和相对位置对电池热管理系统冷却性能的影响。结果表明，当进出口分别位于相对的顶部和底部时冷却效果最佳。Chen等人[4]通过改变进出口位置提出了一系列新型风冷热管理系统结构。基于前人的研究，本文提出了一种新型风冷热管理系统，并进行了进一步的结构优化。

1  物理模型

1.1 CFD模型

本文通过在传统Z型风冷BTMS的基础上增加一个出口提出了一种新型的风冷BTMS，新型BTMS的模型图如图1所示。进出口的长度和宽度分别为100mm和20mm，电池长宽高分别为70mm、27mm和90mm，冷却通道宽度均为3mm，电池前后紧贴电池箱。

1.2 边界条件

本文的入口条件和出口条件分别设置为速度入口和标准大气压力出口，入口气流速度设置为4m/s，系统初始温度为299.15K，进口温度等于环境温度。

2  结果与讨论

2.1 与传统Z型风冷BTMS的对比分析

图2显示了传统Z型风冷BTMS和本文提出的新型风冷BTMS的温度云图。由图2可知，与Z型BTMS相比，新型BTMS的电池最高温度和最大温差都大大降低。对于新型风冷BTMS，前5块电池温度相对较高，后3块电池相对较低，且最高温出现在电池2表面，最低温出现在电池8表面。

2.2 进一步优化

本节通过改变如图3所示的h值来进一步优化新型风冷BTMS的冷却性能。图4展示了不同h值的新型风冷BTMS的温度云图以及最高温度和最大温差的对比。由图4可知，改变h值之后，新型BTMS的电池最高温度有所降低，最大温差变化不大。当h值为15mm时，BTMS的冷却性能最佳，与传统Z型BTMS相比，最高温度降低了2.40K（4.72%），最大温差减小了4.42K（70.89%）。

3  结论

本文通过在传统Z型BTMS的基础上增加一个出口提出了一种新型风冷BTMS。与传统Z型BTMS相比，新型BTMS的冷却性能大大改善，最高温度降低了2.16K（42.5%），最大温差减小了4.28K（68.7%）。本文还通过改变h值进一步改善了新型BTMS的散热性能。改善过后，电池最高温度降低了2.40K（4.72%），最大温差减小了4.42K（70.89%）。

参考文献：

[1]A.A. Pesaran， Battery thermal models for hybrid vehicle simulations， J. Power Sour. 110 （2002） 377-382.

[2]H. Park， A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles， J. Power Sour. 239 （2013） 30-36.

[3]Jiaqiang E， Meng Y， Jingwei C， et al. Effects of the different air cooling strategies on cooling performance of a lithium-ion battery module with baffle[J]. Applied Thermal Engineering. 2018，144：231-241.

[4]Kai Chen， Weixiong Wu， Fang Yuan， Lin Chen， Shuangfeng Wang， Cooling efficiency improvement of air-cooled battery thermal management system through designing the flow pattern， Energy 167 （2019） 781-790.