任冰禹

（西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，四川 成都 610031）

動(dòng)力鋰電池組液冷散熱仿真

任冰禹

（西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，四川 成都 610031）

為使電動(dòng)汽車的鋰電池組能夠工作在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，確保電池系統(tǒng)的使用安全。建立了電池組的液冷散熱結(jié)構(gòu)模型，并基于汽車在爬坡工況下的電池生熱率模型，對(duì)電池組進(jìn)行溫度場(chǎng)分析計(jì)算。結(jié)果顯示，該結(jié)構(gòu)可以將電池的最大溫升控制在10K以內(nèi)；通過(guò)增大冷卻液流量可以提高電池的散熱能力。

鋰電池組；液冷；散熱結(jié)構(gòu)；熱分析

CLC NO.:U463.6 Document Code: B Article ID: 1671-7988 (2017)13-123-03

前言

隨著國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)的大力支持，電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅速。電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心為動(dòng)力電池組，磷酸鐵鋰電池具有能量比高、高低溫使用范圍廣、安全性高及循環(huán)壽命良好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類動(dòng)力電池組中[1]。但是鋰電池在充放電過(guò)程中，由于焦耳熱，反應(yīng)熱等的存在，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不采取一定的散熱措施，會(huì)引起電池組熱量的累積，導(dǎo)致溫度上升并引起電池各方面性能的下降。研究表明鋰離子動(dòng)力電池模塊、結(jié)構(gòu)、散熱方式等硬件的設(shè)計(jì)和電池?zé)峁芾磉壿嫷乃惴ㄔO(shè)計(jì)對(duì)電池的溫度會(huì)有很大的影響[2]。同時(shí)，鋰電池的工作溫度在20-40℃時(shí)，電池的放電效率較高，而溫度在低于20℃和高于40℃時(shí)，電池的放電效率下降很快[3]。為此研究人員設(shè)計(jì)了各種電池箱的散熱結(jié)構(gòu)，以保證電池能夠工作在其允許的工作范圍之內(nèi)。本文設(shè)計(jì)了一種新型的客車用電池箱散熱結(jié)構(gòu)，并采用有限元軟件FLUENT對(duì)電池箱的散熱進(jìn)行模擬，以保證設(shè)計(jì)的可靠性。

1 電池箱散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 幾何模型的建立

圖1 電池液冷散熱結(jié)構(gòu)

本文的客車用電池箱采用方形結(jié)構(gòu)，由于是對(duì)電池箱的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，所以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化以方便FLUENT的計(jì)算。簡(jiǎn)化后的電池箱散熱結(jié)構(gòu)如下圖1所示。其中，藍(lán)色部分為鋰電池，為方便計(jì)算，建模時(shí)將5塊電池合為一排，單電池的尺寸為173*132*48mm。藍(lán)色部分為過(guò)水冷板結(jié)構(gòu)，與電池緊密接觸，中間有三根冷卻水管道，黃色部分為冷卻水箱部分，左右部分上面的兩個(gè)開(kāi)口為冷卻水的進(jìn)出口。

1.2 網(wǎng)格劃分

由于該電池散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分難度較大，所以本文采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)

格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分前對(duì)模型進(jìn)行分組操作，為后續(xù)的FLUENT分析提供便利，最終的網(wǎng)格如下圖2所示。

圖2 散熱結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

2 邊界條件

2.1 電池生熱率模型

電池的生熱率模型用于描述電池在工作過(guò)程中的生熱情況。鋰電池的發(fā)熱主要由反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱組成。

其中，Qc為化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中正負(fù)極產(chǎn)熱代數(shù)和；F為法拉第常數(shù)；I為放電電流。

論文[4]等認(rèn)為在一般的測(cè)試工況下，電池的放電電流波動(dòng)較大，而電流的大小也遠(yuǎn)未到極限，而高速工況和爬坡工況下，電池一直處在高電流放電狀態(tài)，是做電池極限溫升測(cè)試的最佳工況。故本文將采用電池在1.5C恒流放電下的工況為測(cè)試工況。以下是通過(guò)電池對(duì)電池1.5C放電1800s下電池發(fā)熱量的擬合公式：之后將該公式轉(zhuǎn)化成UDF的格式加載入電池生熱率模塊中以模擬電池的發(fā)熱情況。

2.2 材料屬性

表1 各物質(zhì)屬性

該電池散熱結(jié)構(gòu)由三種部分組成，電池，冷板，和冷卻液，其中冷板材料為鋁，冷卻液采用乙二醇溶液，可物質(zhì)屬性如下表1所示：

2.3 邊界條件

①采用速度入口的邊界條件，設(shè)置入口端流體溫度為298K，并設(shè)置速度為10g/s和20g/s以進(jìn)行對(duì)比，壓力值設(shè)置為0Pa，另外湍流強(qiáng)度設(shè)為默認(rèn)，水力直徑為27mm。

②采用壓力出口的邊界條件，設(shè)置壓力值設(shè)置為0，另外湍流強(qiáng)度設(shè)為默認(rèn)，水力直徑為27mm。

③對(duì)于冷板與冷卻液，冷板和電池的接觸面，采用FLUENT中的耦合壁面模式進(jìn)行設(shè)置，F(xiàn)LUENT會(huì)自動(dòng)對(duì)壁面的換熱率進(jìn)行計(jì)算。

④其余壁面由于在電池箱內(nèi)部，不存在與外界的能量交換，所以設(shè)置為絕熱壁面。

2.4 仿真模式

由于電池的容量有限，不能無(wú)限制的進(jìn)行放電，所以本文采用電池以1.5C放電電流下30分鐘時(shí)長(zhǎng)為模擬工況。所以采用FLUENT瞬態(tài)分析的方式對(duì)電池箱的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為1800s。

3 電池箱溫度場(chǎng)分析

3.1 10g/s流量下的溫度場(chǎng)

10g/s流量下的溫度場(chǎng)如圖3所示?？梢?jiàn)，電池的整體溫度不均勻，其溫度從冷卻液的入口端向冷卻液的出口端呈梯度遞減，其中入口端部分電池最低溫度為300.4K，出口端的電池的最高溫度為307.3K，這是因?yàn)槔鋮s液流經(jīng)電池后吸收熱量溫度升高，導(dǎo)致靠近出口端部分冷卻液和電池的溫度差較小而不能很好的吸收電池的熱量。兩者溫度差為6.9K。

圖3 10g/s流量下電池溫度場(chǎng)

10g/s流量下1800s內(nèi)電池的最高溫升和冷卻水出口溫度如下圖4所示?？梢?jiàn)兩者的溫度隨的時(shí)間逐漸上升，在1800s內(nèi)達(dá)到最大值。仿真結(jié)束時(shí)，冷卻水出口溫度為305.3K，比電池的最大溫度低2K。電池的最大溫升為9.3K。

圖4 10g/s流量下電池溫升特征

3.2 20g/s流量下電池溫度場(chǎng)

20g/s流量下的電池箱溫度分布如下圖5所示，總體溫度分布情況和10g/s流量下類似，出口端的最高溫度為306.0K，相比與10g/s流量下要低1.3K，這說(shuō)明增加冷卻液流量可以提高電池散熱效果。電池的最低溫為299.39K，各電池間的最大溫度差為6.61K，相比10g/s的流量有一定的下降。

圖5 20g/s流量下電池溫度場(chǎng)

圖6 20g/s流量下電池溫升特征

20g/s流量下1800s內(nèi)電池的最高溫升和冷卻水出口溫度如下圖6所示。電池最大溫升和冷卻水出口溫度的上升趨勢(shì)與10g/s流量下類似。仿真結(jié)束時(shí)，冷卻水溫為304.86K，電池的最大溫升為8K，相比10g/s的流量下降了14%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種電池組的液冷散熱結(jié)構(gòu)，并在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電池組的溫度場(chǎng)分析，其結(jié)果如下：

（1）該電池組的液冷散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的降低電池組的整體溫度，在電池的極限工況下將電池的最大溫升控制在10K以內(nèi)。

（2）對(duì)比不同冷卻液流量下電池的溫升情況，增大流量可以提高電池的散熱性能，使電池最大溫升和電池間的最大溫差下降。

[1] 李濤.純電動(dòng)汽車鋰離子電池?zé)嵝?yīng)及電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].重慶大學(xué), 2013.

[2] 李騰,林成濤,陳全世.鋰離子電池?zé)崮Ｐ脱芯窟M(jìn)展[J]. 電源技術(shù), 2009, 33(10)∶927-932.

[3] 羅玲,宋文吉,林仕立,呂杰,陳永珍,馮自平. 工作溫度對(duì)磷酸鐵鋰電池SOC影響及研究進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展,2015,(01)∶59-69.

[4] 胡寧,張炳力,李存俊,等.基于高速工況的電池包散熱能力研究[J].汽車工程學(xué)報(bào), 2016, 6(2)∶137-142.

Simulation of power lithium battery liquid cooling system

Ren Bingyu
( Mechanical Engineering Institute, Southwest Jiao Tong University, Sichuan Chengdu 610031 )

In order to make sure the electric car lithium battery can work within the specified temperature range, and ensure the safety of the battery system. A liquid cooling structure model of the battery is built. the battery pack temperature field is analysis based on the battery heat generation rate model of climbing condition. The results show that the maximum temperature rise can be controlled within 10K, and the cooling capacity can be increased by increasing the coolant flow rate. Keywords: Lithium batteries; Liquid cooling; Cooling structure; Thermal analysis

U463.6

B

1671-7988 (2017)13-123-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.042

任冰禹，就讀于西南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，電池?zé)岱治龇较颉?/p>