程 昀 ，李 劼，賈 明, ，湯依偉，宋文鋒, ，張治安，張 凱,

(1. 中南大學(xué) 冶金與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083； 2. 中南大學(xué) 深圳研究院 深圳高性能電池材料與器件工程研究中心，深圳 518057)

隨著環(huán)境污染和能源緊缺雙向壓力的日益加劇，發(fā)展環(huán)保節(jié)能的電動(dòng)汽車已成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)。在眾多動(dòng)力汽車的備選電源中，鋰離子電池憑借其突出的性能優(yōu)勢(shì)成為電動(dòng)汽車的首選動(dòng)力電 池[1-3]。然而，鋰離子電池在使用過(guò)程中伴隨有明顯的熱效應(yīng)，造成電池的溫度上升和單體溫度分布不均勻，進(jìn)而影響電池的性能，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到電池的使用壽命和安全[4-7]。尤其在當(dāng)前電池單體容量日益大型化、高比能量要求日益迫切的趨勢(shì)下，動(dòng)力電池模塊為了追求空間利用率最大化，通常采用大容量電池單體緊密排列而成，這更加增加了電池?zé)崃坑行⑹У睦щy程度，加劇了電池的安全隱患。因此，電池模塊的溫度控制和散熱措施是保證鋰離子電池正常使用的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，工程上電池模塊的溫度控制由電源管理系統(tǒng)(Battery management system,BMS)結(jié)合電池模塊上多點(diǎn)熱電耦實(shí)現(xiàn)的，在電池模塊工作過(guò)程中僅能實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)的溫度監(jiān)控，然而，由于電池溫度分布不均勻，使溫度控制非常困難[8]。動(dòng)力電池散熱措施主要包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和冷卻板冷卻[9]。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，空氣冷卻成為主導(dǎo)散熱措施。但是由于空氣的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)較小，而風(fēng)機(jī)的功率又與電池能量要求相矛盾，致使空氣對(duì)電池組的冷卻效果有限[10]。并且電池單體在組裝成電池模塊前后，無(wú)法全部掌握不同散熱條件和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)電池模塊散熱的影響。因此，國(guó)內(nèi)外基于電池?zé)崮Ｐ?，借助?shù)值仿真技術(shù)對(duì)電池?zé)嵝?yīng)展開了一系列的研究。

20世紀(jì)80年代，BERNARDI等[11]基于電池內(nèi)部能量守恒、電荷守恒以及物質(zhì)守恒，建立了電池體系的熱效應(yīng)模型。該模型是電池系統(tǒng)熱效應(yīng)模擬的基礎(chǔ)，后續(xù)大多數(shù)相關(guān)研究工作均是基于該模型或者對(duì)該模型的優(yōu)化。CHEN等[12]通過(guò)二維模型研究了聚合物電池的熱效應(yīng)，認(rèn)為低倍率使用時(shí)溫度并不是主要問(wèn)題，高倍率特別是高倍率循環(huán)時(shí)溫度會(huì)大幅升高，帶來(lái)安全問(wèn)題，并且由于聚合物電池導(dǎo)熱性不好的緣故，大容量電池模塊的熱安全問(wèn)題更加突出。隨后他們又以考慮輻射散熱和電池單體外殼影響的三維分層模型為基準(zhǔn)，對(duì)各種簡(jiǎn)化的一維模型、二維模型和三維模型的計(jì)算精度和計(jì)算量進(jìn)行比較[13]，認(rèn)為內(nèi)部均一化處理的、綜合考慮了輻射散熱和電池單體外殼影響的三維模型在計(jì)算精度和計(jì)算量方面比較合適，并以此構(gòu)建了某一鋰離子電池的熱模型，分析了放電深度、放電倍率、綜合對(duì)流換熱系數(shù)(輻射散熱作用綜合到對(duì)流散熱中)、外殼厚度等對(duì)單體電池溫度場(chǎng)的影響。KIM等[14-17]采用二維熱模型，分析認(rèn)為電池極耳位置設(shè)計(jì)對(duì)電池單體溫度場(chǎng)和電流場(chǎng)的均勻性具有較大影響，并且高倍率下該影響更為顯著。但目前研究者多局限于對(duì)電池單體的低倍率(放電倍率小于3C)情況下的熱效應(yīng)研究，對(duì)高倍率以及動(dòng)力電池模塊的熱效應(yīng)研究較少。美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National renewable energy laboratory)結(jié)合鋰離子電池?zé)崮Ｐ秃陀邢拊抡娣治黾夹g(shù)對(duì)電池系統(tǒng)的熱管理和模擬仿真進(jìn)行了大量研究[18-19]，但是對(duì)電池模塊散熱的研究集中在強(qiáng)制風(fēng)冷和液體冷卻，對(duì)其他形式的散熱設(shè)計(jì)研究較少。

在此，本文作者以鋰離子電池?zé)崮Ｐ蜑槔碚摶A(chǔ)，基于COMSOL Multiphysics仿真平臺(tái)，建立動(dòng)力鋰離子電池模塊散熱模型。系統(tǒng)對(duì)比了自然冷卻、強(qiáng)制風(fēng)冷及冷卻板冷卻對(duì)動(dòng)力電池模塊散熱性能的影響，為動(dòng)力電池模塊散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真及計(jì)算方法

1.1 模擬對(duì)象

選取國(guó)內(nèi)某單位研制的車用10 A·h動(dòng)力磷酸鐵鋰鋰離子電池為研究對(duì)象，通過(guò)鎳帶焊接串聯(lián)制成12串的電池模塊。圖1所示為鋰離子電池單體照片。圖2所示為該電池模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2中A、B兩點(diǎn)為電池模塊表面中心點(diǎn)；O點(diǎn)為模塊中心溫度點(diǎn)。其電池基本參數(shù)如表1所列。

1.2 熱物性參數(shù)

電池在不同倍率條件下進(jìn)行恒流放電時(shí)產(chǎn)生熱量的情況是進(jìn)行電池計(jì)算的主要依據(jù)。在進(jìn)行電池的模擬計(jì)算時(shí)，必須要獲得電池相關(guān)參數(shù)。

圖1 10A·h磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體照片 Fig.1 Photo of 10 A·h lithium ion phosphate battery cell

圖2 12串動(dòng)力電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 12 series battery pack structure

表1 磷酸鐵鋰電池單體基本參數(shù) Table1 Parameters of lithium ion battery

動(dòng)力鋰離子電池由鋁塑膜外殼、電芯、集流體和極耳構(gòu)成，電芯包括了正極材料、隔膜、負(fù)極材料和電解液。表2所列為各材料的熱物性參數(shù)[20]，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將各參數(shù)視為不隨時(shí)間變化的常數(shù)。

本研究中所用鋰離子電池是由正極材料、隔膜、負(fù)極材料的多層疊片結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合體，由于建立層狀模型需要巨大的計(jì)算量，為了提高模型的實(shí)用性和收斂速度，通常將電池采用均一化處理，即將電池體看做均一物質(zhì)，對(duì)其比熱容、密度以及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行均一化處理[13]。

表2 磷酸鐵鋰電池單體各材料的物性參數(shù)[20] Table2 Thermal-physical properties parameters of lithium- ion battery materials[20]

鋰離子電池的平均比熱容可以通過(guò)式(1)計(jì)算：

式中：ρ和 iρ分比為電池的密度、各種材料的密度；ccell和ci分別為電池的比熱容、各種材料的比熱容；Vi為各種材料所占的體積。

由于鋰離子電池是由多層的不同材料浸潤(rùn)在電解液中，因此，電池的導(dǎo)熱系數(shù)存在各向異性。根據(jù)傳熱的基本原理，傳熱材料分為并聯(lián)傳熱和串聯(lián)傳熱兩種。并聯(lián)平均導(dǎo)熱系數(shù)可以通過(guò)式(2)確定，串聯(lián)平均導(dǎo)熱系數(shù)可以通過(guò)式(3)計(jì)算：

式中：λx、λy和λz分別為單體電池內(nèi)核材料x、y和z方向?qū)У臒嵯禂?shù)；λp、λn和λs分別表示電池單體內(nèi)的正極極片、負(fù)極極片、隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算可得單體方型電池內(nèi)核材料各方向?qū)嵯禂?shù)為λx=λz=1.35 J/(m·K)；λy=0.98 J/(m·K)；電池內(nèi)芯的平均比熱為2520 J/(kg·K)。

1.3 模型載荷及邊界條件

電池?zé)崮M的本質(zhì)是電池內(nèi)部微元能量守恒方程：

式(4)的建立假設(shè)電池內(nèi)部材料為均一物質(zhì)，其物性參數(shù)一致，且在充放電過(guò)程中內(nèi)部電流密度均勻。其中，ρ為密度；cp為定壓比熱容；T為溫度；t為時(shí)間；q˙為生熱率。

電池?zé)崃縼?lái)源主要為電池內(nèi)芯生熱和電池的極耳以及電池模塊中電極連接板的產(chǎn)熱。電池內(nèi)芯產(chǎn)熱很難實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)量，因此，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用Bernardi電池生熱速率方程：

式中：I為電流；V為電池體積；Eoc為電池平衡電動(dòng)勢(shì)；U為電池工作電壓；T為電池初始溫度，取為301.15 K；為電池電動(dòng)勢(shì)隨溫度變化的溫度系數(shù)。計(jì)算過(guò)程中Eoc-U等于IR；R為電池內(nèi)阻；取0.22 mV/K[10]。從嚴(yán)格意義上講，電池在放電過(guò)程中，由于其各部位的電流密度不同，其各部位的生熱率會(huì)略有差異。但考慮到電池單體的體積整體較小，因此，在計(jì)算中將電池(除極耳部分)看做均一發(fā)熱體。電池的內(nèi)阻R采用開路電壓法[21]進(jìn)行測(cè)量，得到其變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 電池內(nèi)阻隨放電深度的變化曲線 Fig.3 Internal resistance of battery as function of depth of discharge

電池正極極耳材料為鋁，負(fù)極極耳為銅，電池單體通過(guò)鎳帶焊接串聯(lián)成12串動(dòng)力電池模塊。在放電過(guò)程中，極耳和連接鎳帶的生熱為焦耳熱，其生熱率qAl,Cu,Ni計(jì)算公式如下：

式中：QAl,Cu,Ni為極耳、鎳帶的發(fā)熱量；RAl,Cu,Ni為極耳、 鎳帶的電阻，可以通過(guò)計(jì)算求得(ρ為電阻率， l為鎳帶長(zhǎng)度，S為鎳帶導(dǎo)電方向截面積)；VAl,Cu,Ni為極耳、鎳帶的體積。

根據(jù)牛頓冷卻定律，鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷倪吔鐥l件可以用式(7)來(lái)描述[22]：

式中：Tamb為周圍流體的溫度；T∞電池表面溫度；λ為電池表面材料的導(dǎo)熱系數(shù)；n表示垂直電池表面的矢量方向；h為電池表面與周圍流體間的對(duì)流傳熱系數(shù)。根據(jù)文獻(xiàn)[23]，電池在自然風(fēng)冷，即自然對(duì)流條件下，h的典型值為5 W/(m2·K)；在一般強(qiáng)度強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，h的典型值為10 W/(m2·K)；在大強(qiáng)度強(qiáng)制風(fēng)冷散熱條件下，h的典型值為25 W/(m2·K)。

1.4 網(wǎng)格模型

建模時(shí)將電池電芯采用均一化處理，其內(nèi)部看做一個(gè)整體，電芯外層封蓋一層厚度為0.145 mm厚的鋁塑膜。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，得到的網(wǎng)格模型如圖4所示。由于要對(duì)電池的生熱模型進(jìn)行驗(yàn)證，因此，單體電池在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)采用網(wǎng)格加密處理，這樣能保證模型驗(yàn)證更加精確。單體電池網(wǎng)格共計(jì)417566個(gè)，電池模塊網(wǎng)格根據(jù)散熱形式的不同稍有變化，但總體控制在90.0±1.0萬(wàn)個(gè)。

圖4 動(dòng)力電池網(wǎng)格模型圖Fig.4 Finite element model of lithium-ion battery cell(a) and packs(b)

2 結(jié)果與討論

2.1 模型驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)中動(dòng)力鋰離子電池模塊是由12個(gè)單體軟包電池串聯(lián)組成，仿真研究中假定每個(gè)單體電池的生熱率相同，因此，單體電池的熱效應(yīng)對(duì)整個(gè)模塊仿真準(zhǔn)確性的影響至關(guān)重要。

通過(guò)對(duì)單體電池在室溫301.15 K，自然對(duì)流環(huán)境下進(jìn)行5C倍率放電，仿真結(jié)果與放電結(jié)束時(shí)的紅外成像圖(紅外成像儀型號(hào)FLUKE Ti55)相對(duì)比，進(jìn)行模型驗(yàn)證。

圖5 10 A·h軟包磷酸鐵鋰單體5C倍率放電仿真溫度場(chǎng) Fig.5 Simulated contours of temperature for 10 A·h pouch LiFePO4 battery at 5C discharge: (a) Overall temperature field; (b) Isothermal surface without tabs

圖6 自然對(duì)流條件下5C倍率放電紅外成像圖Fig.6 Infrared imaging figure for cell in natural cooling at 5C discharge

圖5 所示為10 A·h軟包磷酸鐵鋰單體5C倍率放電仿真溫度場(chǎng)。圖6所示為自然對(duì)流條件下5C倍率 放電紅外成像圖。比較圖5和6可知，5C放電時(shí)，電池電芯部位最高溫度為319.9 K，最低溫度為314.5 K。仿真結(jié)果與紅外成像的結(jié)果基本吻合，說(shuō)明本研究中采用的電池單體模型能夠較為準(zhǔn)確地反映電池的放熱行為。

影響動(dòng)力鋰離子電池模塊的散熱因素主要有電池的工作電流和電池散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本研究中已經(jīng)對(duì)電池單體5C倍率放電情況下的模型進(jìn)行了驗(yàn)證，為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，如果沒有特殊說(shuō)明，對(duì)電池模塊的研究均在特定放電倍率(5C)下進(jìn)行。

2.2 表面對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)模塊溫度場(chǎng)的影響

取h為5、10、15、20、25、50和100 W/(m2·K)這7個(gè)典型值進(jìn)行計(jì)算，用以分析動(dòng)力電池模塊表面對(duì)流換熱系數(shù)的影響。圖7所示為在不同h值條件下5C恒流放電720 s時(shí)電池模塊內(nèi)部線A-B的溫度變化。圖8所示為相應(yīng)放電過(guò)程中電池模塊內(nèi)外溫度差，也即A和O點(diǎn)之間的溫度差隨時(shí)間的變化。

圖7 不同h條件下電池模塊沿線A-B的溫度變化對(duì)比 Fig.7 Comparison of temperature change of battery pack along A-B line with time under different convective heat transfer coefficients

圖8 不同h條件下電池模塊內(nèi)外溫差隨時(shí)間的變化對(duì)比 Fig.8 Comparison of temperature change between inner and outer battery packs with time under different convective heat transfer coefficients

由圖7可見，提高電池組表面對(duì)流換熱系數(shù)，能夠顯著降低電池模塊表面的溫度，對(duì)流換熱系數(shù)越高，電池模塊表面溫度降低越大；但隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大，單位對(duì)流換熱系數(shù)的降溫效果降低。同時(shí)，電池內(nèi)部尤其是中心位置其溫度變化不大，對(duì)流換熱系數(shù)從5 W/(m2·K)變化至100 W/(m2·K)，其中心溫度僅降低了0.2 K。這主要是由于沿電池大面方向，其導(dǎo)熱系數(shù)較低造成的。該原因也造成了圖8中的現(xiàn)象，即隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大，電池模塊內(nèi)外溫差增大，電池的溫度均勻性變差。同時(shí)，由于對(duì)流換熱系數(shù)與電池模塊中的制冷風(fēng)機(jī)的功率密切相關(guān)。較大的對(duì)流換熱系數(shù)，勢(shì)必要求制冷風(fēng)機(jī)具有更大的功率，進(jìn)而造成電池模塊多余能量的消耗。

2.3 冷卻板對(duì)電池模塊溫度場(chǎng)的影響

對(duì)電池模塊進(jìn)行空氣冷卻存在著自然對(duì)流冷卻能力不足而強(qiáng)制對(duì)流額外消耗電池模塊能量并且電池模塊的溫度均勻性變差的矛盾。解決該矛盾的最有效的途徑之一就是在電池模塊中加入冷卻板[24]。

冷卻板的選取要求導(dǎo)熱系數(shù)高、加工方便、質(zhì)量輕(電池模塊有重量要求時(shí))。本研究中采用1.5 mm厚的鋁板作為冷卻板，研究其對(duì)電池模塊散熱作用的影響。加裝散熱鋁板后的電池模塊結(jié)構(gòu)如圖9所示。

表3所列為在5C恒流放電、表面對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)時(shí)計(jì)算得到的電池模塊電芯溫度統(tǒng)計(jì)與沒有加入鋁板的電池模塊在不同對(duì)流換熱系數(shù)的溫度對(duì)比，其中Tmax為最高溫度，Tmin為最低溫度，ΔT為Tmax-Tmin。可以發(fā)現(xiàn)，電池模塊加裝1.5 mm厚的冷卻板，其最高溫度為318.91 K，小于對(duì)流換熱系數(shù)為

圖9 12串有鋁板動(dòng)力電池模塊示意圖Fig.9 Schematic diagram(a) and finite element model(b) of 12 series battery pack within aluminum cold plate

100 W/(m2·K)時(shí)的最高溫度；其最低溫度為317.19 K，明顯高于對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)時(shí)的最低溫度。說(shuō)明冷卻板降溫效果優(yōu)于強(qiáng)制對(duì)流散熱，對(duì)電池模塊具有均衡溫度的能力。在表中采用ΔT/Tavg作為電池溫度均勻性的指標(biāo)，其值越大，說(shuō)明溫度均勻性越差。從表3中可以看出，除表面對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)時(shí)的指標(biāo)值小于加冷卻板的指標(biāo)值外(由于對(duì)流換熱不強(qiáng)，熱量積聚在電池模塊內(nèi)部造成造成)，其余情況下均比加冷卻板的指標(biāo)值大，更加充分說(shuō)明冷卻板能夠明顯改善電池模塊的溫度均勻性。

2.4 冷卻板厚度對(duì)電池模塊散熱的影響

冷卻板能夠明顯改善電池模塊的溫度均勻性，但是對(duì)于特定材料的冷卻板，其體積大小和外部對(duì)流面的大小是影響其散熱性能的重要參數(shù)。為了研究這兩種參數(shù)的影響，本研究中將冷卻板與電池相接觸的面大小恒定，因此，將冷卻板體積的影響轉(zhuǎn)化成冷卻板厚度對(duì)電池模塊的影響。同樣外部對(duì)流面的大小主要通過(guò)冷卻板曝露在電池模塊外部的形狀進(jìn)行研究。

表3 電池模塊電芯溫度 Table3 Temperature of battery pack

取冷卻鋁板厚度分別為1.5、2.5、3.5和5.0 mm進(jìn)行計(jì)算，以分析不同鋁板厚度對(duì)電池模塊散熱的影響，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，在不同導(dǎo)熱鋁板厚度條件下，5C恒流放電720 s 時(shí)刻電池模塊內(nèi)部線A-B的溫度變化。

圖10 電池模塊內(nèi)部線A-B的溫度變化對(duì)比 Fig.10 Comparison of temperature change along A-B line in battery pack

由計(jì)算可知，不同的冷卻板厚度對(duì)電池模塊的散熱作用不同。由圖10可知，冷卻板厚度從1.5 mm增大到5 mm時(shí)，電池內(nèi)部溫度下降3 K，說(shuō)明冷卻板厚度越大，電池模塊的溫度越低。同時(shí)冷卻板厚度不同對(duì)電池模塊溫度均勻性的影響也不同。圖11所示為不 同冷卻板厚度電池模塊均勻性隨放電時(shí)間變化對(duì)比。由圖11可知，隨著厚度增加，電池模塊的溫度均勻性變差，溫度均勻性系數(shù)從1.46 %增大到1.93 %，但其均勻性仍然優(yōu)于無(wú)冷卻板情況下的強(qiáng)制對(duì)流冷卻(表面對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)，均勻性系數(shù)為3.08%)。

2.5 冷卻板外部形狀對(duì)電池模塊散熱的影響

傳統(tǒng)散熱片的結(jié)構(gòu)為弧形翅片和豎直型翅片如圖12所示，豎直型翅片具有加工方便的優(yōu)點(diǎn)。由于電池X方向的導(dǎo)熱系數(shù)較其Y方向?qū)嵯禂?shù)更大，熱量比較容易沿X方向傳遞，因此，考慮在電池模塊外部YZ平面布置散熱翅片，通過(guò)研究電池模塊側(cè)部豎直型翅片的翅片數(shù)來(lái)研究冷卻板外部形狀對(duì)電池模塊的影響。

圖11 不同冷卻板厚度電池模塊均勻性隨放電時(shí)間的變化 對(duì)比 Fig.11 Comparison of temperature uniformity change under different thicknesses of cold plate

圖12 傳統(tǒng)電池散熱片結(jié)構(gòu) Fig.12 Schematic diagram of traditional heat sink for battery packs: (a) Arc fins; (b) Vertical fins

圖13 所示為自然對(duì)流情況下不同散熱翅片數(shù)電池模塊中心截面圖。圖14所示為強(qiáng)制對(duì)流(h=15 W/(m2·K))時(shí)不同散熱翅片數(shù)電池模塊中心截面圖。由圖13和14可知，在自然對(duì)流情況下，增加散熱片的翅數(shù)能夠降低電池模塊的溫度，但降溫幅度不大。隨著散熱片翅數(shù)從26增加到98，電池模塊的最高溫度和最低溫度值分別降低了0.8和0.4 K。在高對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，電池模塊的最低溫度的變化比最高溫度變化大，分別為0.7和1.2 K。說(shuō)明散熱片翅數(shù)對(duì)電池模塊最低溫度的影響比對(duì)最高溫度的影響大。圖15所示為強(qiáng)制對(duì)流(h=15 W/(m2·K))和自然對(duì)流(h=5 W/(m2·K))時(shí)不同電池翅片數(shù)時(shí)電池均勻性對(duì)比。由圖15可知，散熱翅片數(shù)的增加對(duì)電池溫度均勻性影響不大。散熱翅片數(shù)從26增加到98，放電終止時(shí)，電池模塊溫度均勻性系數(shù)最大僅變化0.1 %。但對(duì)于高對(duì)流換熱時(shí)，電池模塊的溫度非均勻性隨放電時(shí)間呈現(xiàn)先增大后減小至穩(wěn)定，然后又線性增大的規(guī)律。該現(xiàn)象是由于電池單體生熱率隨放電深度的變化而造成的。

圖13 自然對(duì)流情況下不同散熱翅片數(shù)電池模塊中心截面圖Fig.13 Contours of temperature for cross-section with different fin numbers under natural cooling: (a) 26; (b) 50; (c) 74; (d) 98

圖14 強(qiáng)制對(duì)流(h=15 W/(m2·K))時(shí)不同散熱翅片數(shù)電池模塊中心截面圖Fig.14 Contours of temperature for cross-section with different fin numbers under forced convection cooling(h=15 W/(m2·K)): (a) 26; (b) 50; (c) 74; (d) 98

圖15 強(qiáng)制對(duì)流(h=15 W/(m2·K))和自然對(duì)流(h=5 W/(m2·K))時(shí)不同電池翅片數(shù)時(shí)電池均勻性對(duì)比 Fig.15 Comparison of temperature uniformity of packs with different number of fins under forced convection cooling (h=15 W/(m2·K)) and natural convection cooling (h=5 W/(m2·K)): (a) 26; (b) 50; (c) 74; (d) 98

3 結(jié)論

1) 對(duì)流換熱系數(shù)能夠顯著影響動(dòng)力鋰離子電池模塊的散熱，但隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增大，其降溫效果變?nèi)酰瑫r(shí)，電池模塊的溫度均勻性變差。對(duì)流換熱系數(shù)為 5 W/(m2·K)時(shí)，電池溫度范圍為319.36~320.27 K，非均勻性度為0.45%，對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)時(shí)，電池溫度范圍為310.42~320.15 K，非均勻性度為3.08 %。而且高換熱系數(shù)要求風(fēng)機(jī)的功率較大，會(huì)增大電池模塊額外的能量消耗，因此，合理控制電源系統(tǒng)中風(fēng)機(jī)的功率對(duì)電池模塊的散熱至關(guān)重要。

2) 在電池模塊中添加散熱鋁板能夠明顯改變電池模塊的溫度性能。散熱鋁板具有均衡電池模塊溫度的作用。電池模塊加裝1.5 mm厚的冷卻板時(shí)，其最高溫度為318.91 K，小于對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)時(shí)的最高溫度；其最低溫度為317.19 K，明顯高于對(duì)流換熱系數(shù)為100 W/(m2·K)時(shí)的最低溫度。散熱鋁板厚度越大，電池模塊最高溫度越小，其溫度均勻性隨著鋁板厚度的增大而變差，但仍明顯優(yōu)于強(qiáng)制風(fēng)冷。

3) 散熱片翅數(shù)對(duì)電池模塊溫度場(chǎng)的影響隨著電池模塊表面對(duì)流換熱情況變化而變化。自然對(duì)流情況下(表面對(duì)流換熱系數(shù)較小)，增加散熱翅片數(shù)量，并不能有效降低電池模塊溫度，而強(qiáng)制對(duì)流(表面對(duì)流換熱系數(shù)較大)則較為明顯。但是電池模塊均能夠保持較好的溫度均勻性。

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