張海明　侯剛

摘 要：鋰電池工作的適宜溫度范圍為15℃-35℃，由于放電生熱加上夏季較高的環(huán)境溫度使得電池的溫度很難滿足要求。通過流熱耦合分析得利用來自空調蒸發(fā)器的冷卻空氣強制風冷電池模組有較好的降溫效果。最高溫度由46.875℃降至34.29℃，最大溫差由3.485℃降至1.808℃。

關鍵詞：鋰電池 空調 強制風冷

Parallel Cooling Power Battery Pack Using Air Conditioner Evaporator in High Temperature Environment

Zhang Haiming Hou Gang

Abstract：The suitable temperature range for lithium battery operation is 15℃-35℃. Due to the heat generated by discharge and the higher ambient temperature in summer， the battery temperature is difficult to meet the requirements. Through the flow-heat coupling analysis， it is found that using the cooling air from the air-conditioning evaporator to force the battery module to cool down has a better cooling effect. The maximum temperature dropped from 46.875°C to 34.29°C， and the maximum temperature difference dropped from 3.485°C to 1.808°C.

Key words：lithium battery， air conditioner， forced air cooling

1 生熱率計算

1.1 正常行駛生熱率

選取的鋰電池標稱電壓14.8V，最大充電電壓17.4V，容量288WHr，電池單體的尺寸為195.58×137.16×73.66（mm），電池模組由8個電池單體組成，電池模組的整體尺寸為700×320×76（mm）。

常用電池生熱模型為Bernardi模型，在電池極化濃度差非常小而忽略混合熱時，生熱由不可逆內阻熱和可逆熵變熱組成，模型簡化為式（1）。

為開路電壓溫度影響系數(shù)，常溫取0.469mV/℃，數(shù)量級很小;SOCstart為初始的荷電狀態(tài)取1;DR為電池的放電倍率取0.5C;I為電池的電流;T為電池的溫度;R為電池的內阻;由式（2）可知荷電狀態(tài)SOC是時間的函數(shù)，且電池的內阻是隨著荷電狀態(tài)的改變而改變的，將R與SOC的關系帶入式（1）得生熱量與時間的關系，再除以電池體積得生熱率與時間的關系。如圖1所示，生熱率隨時間有小范圍的波動，計算得到平均生熱率為3400W/m3。

1.2 附加生熱率

強制對流冷卻電池組時低溫空氣來自空調蒸發(fā)器，這會在正常行駛之外產生附加功率和生熱率，且由于空調功率較大而導致附加生熱率不可忽視?？上扔呻姵啬＝M的入口直徑和風速計算空氣流量，再由空氣密度，比熱容和溫差計算空氣被冷卻功率，最后由空調效率和電池內芯總體積計算附加生熱率。公式為式（3）

d為空氣入口直徑20mm;v為空氣流速3m/s;ρ為空氣密度1.165kg/m3;CP為空氣比熱容1005J/kg/k;T0為夏季外界空氣為溫度35℃;T為冷卻空氣溫度取25℃;n為電池模組中電池單體個數(shù)為8;V電池內芯總體積;η為空調只冷卻電池組的效率為55%;

由公式（3）計算可得附加生熱率為1618W/m3占正常行駛時生熱率的47.58%接1/2，若需要更好的電池冷卻效果而降低空氣溫度至20℃則生熱率為2432W/m3，這是十分不經濟的。因此要合理選擇冷卻空氣的溫度以滿足冷卻要求即可，否則因使用空調蒸發(fā)器而產生的附加生熱率可能會抵消其帶來的冷卻效果，沒有作用的同時還會消耗功率降低電動車的續(xù)航里程。

2 電池單體自然冷卻分析

2.1 模型簡化

電池單體是由正級，負極，內芯和外殼組成，主要研究電池單體內部的溫度分布情況，正負極遠離電池的幾何中心對溫度的影響較小。且自然對流的情況下空氣主要靠重力和浮升力的改變而流動，流速較小。位于電池頂部且體積較小的正負極對流動沒有影響。因此在仿真分析中簡化正負極，電池各部分如表1。

2.2 參數(shù)設置

對流換熱系數(shù)受到空氣的流速，空氣和電池表面溫差和表面形狀等多種因數(shù)影響，往往難以準確的測量。通?？諝庾匀粚α鲹Q熱系數(shù)為5-10w/m2/k，考慮到電池所處的環(huán)境溫度較高而溫差較小，選取對流換熱系數(shù)為5w/m2/k。設置Ambient Temperature的值為35℃。電池單體的生熱率雖有一定波動但幅度較小，故使用平均生熱率3400w/m3。劃分網(wǎng)格，單元質量為0.9278接近于1質量較好。

2.3 結果分析

觀察圖2電池單體溫度云圖可知，最高溫度達到46.857℃且最大溫差為3.458℃，最高溫度遠超過電池適合工作的溫度范圍嚴重影響電池的性能。且在爬坡和加速等需要更高放電倍率的情況下，電池的瞬時生熱率和溫度會更高從而極有可能發(fā)生危險。因此，雖消耗能量但使用來自空調蒸發(fā)器的冷卻空氣降低電池溫度是十分必要的。

3 電池模組強制風冷分析

3.1 模型修改

強制對流冷卻時空氣的流動更加的劇烈而導致對流換熱系數(shù)更加的難以準確測量。且由于各個電池單體距離空氣進口處的距離不等導致冷卻效果有所差別，不能直接將各個單體的散熱效果等效。因此選擇Fluent+Steady-State-Thermal對電池模組進行流固耦合仿真，對流換熱系數(shù)由系統(tǒng)自動耦合求解。

3.2 參數(shù)設置

空氣的流速設置為3m/s，溫度為298.15k，出口為壓力出口?？偵鸁崧蕿檎Ｐ旭倳r平均生熱率疊加附加生熱率為5018 w/m3。且為保證電池有良好的固定和散熱，電池兩側面及支架的外側面和模組外殼的內側面均是接觸的。劃分網(wǎng)格，單元質量為0.8825接近于1質量較好。

3.3 結果分析

由圖3的溫度云圖可知，最高溫度下降到34.29℃，降幅達到12.585℃。最大溫差由3.485℃下降至1.808℃，且這是整個電池模組的溫差，對于電池單體來說溫差會更小?？拷M風口處的電池單體溫度較低冷卻效果好，遠離進風口處的電池單體溫度較高冷卻效果較差，但總體滿足電池的適宜溫度范圍的要求。因此，使用來自空調蒸發(fā)器的冷卻空氣降低電池溫度是十分有效的。

4 結論

使用空調強制風冷電池時會產生不可忽視的附加功率和生熱率，需要謹慎選擇空氣溫度。通過流固耦合分析得來自蒸發(fā)器得低溫空氣能夠在夏季較高的環(huán)境溫度下有效的降低電池組得溫度，且需要在之后的研究中進一步的優(yōu)化結構來改善由于離進風口的距離不同而導致電池單體冷卻效果不一致的問題。

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