徐志龙 朱晓琼 田玉冬 吴旭陵 余 万

(1. 上海理工大学 机械工程学院， 上海 200093； 2. 上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心， 上海 200940； 3. 三峡大学 机械与动力学院， 湖北 宜昌 443002)

动力电池是电动汽车的心脏，是电动汽车的动力之源[1-2]．随着国家相关政策对电动汽车续航里程、安全性能和电池能量密度要求的提升，对电动汽车的热管理技术提出了越来越严峻的挑战[3-4]．常用的动力电池散热方式有空气冷却，液体冷却，制冷剂直接冷却以及相变材料冷却等．空气冷却结构简单，成本低，但散热性能较差；液体冷却技术成熟，冷却效果较好，目前应用广泛；直接冷却效果较好，但制冷剂分配较难，目前应用较少；相变材料冷却成本较高，目前应用尚不普及[5-8]．本文采用液体冷却方式．

以某电芯厂生产的动力电池模组为研究对象，通过仿真分析了水平路面90 km/h匀速工况下电池的发热量以及温度场的分布，并结合试验研究了电池测试过程中的温感布置方式和实测电芯温度，并基于实验结果，对电池冷却系统进行了优化，改善了散热效果，加快了此种型号电池箱市场化的进程．

1 电池箱结构及其模型建立

1.1 电池箱体结构

研究对象为某公司生产的三元锂离子电池，电池箱体为L型，下箱体内采用集成式液冷板，其上安装4个模组，如图1所示．电池成组相关参数见表1．

图1 锂离子电池箱结构示意图

模组数量电芯数量单电芯电压/V成组方式额定电压/V额定电量/Ah箱体材质4个96个3.72P96S35526铸铝

每个模组都由多层材料组成，依次为导热硅胶垫、电芯、框架泡棉、电芯、导热硅胶垫、铝制导热片．其中框架泡棉主要起固定和缓冲作用，铝导热片主要用于增强模组的纵向导热能力，导热硅胶垫用于使电芯和铝导热片紧密接触．

1.2 电池组的能量平衡

由傅里叶定律和能量守恒，可得出电池的三维非稳态导热微分方程为[9]：

(1)

式中，ρ为密度，τ为时间，c为比热容，Φ为内热源强度，x、y、z分别为x、y、z三个方向的热导率．对于动力电池而言，其内热源的生成热的大小是求解温度场分布的关键．

锂离子电池的最佳工作温度为20～45℃，电池内部的产热量主要包括：焦耳热Qj、极化热Qp、反应热Qr和副反应热Qs[10]，即

Q=Qj+Qp+Qr+Qs(2)

由于锂离子电池只有在过充或过放的情况下才会发生副反应，在实际工作过程中会避免此种现象的发生，因此Qs可以忽略不计[11]．电池内部的焦耳热是电池产热的主要来源，由焦耳定律可得：

Qj=I2Re(3)

式中，I为充放电过程中的电流大小(A)；Re为电池的内阻(Ω)．

锂离子电池在反应过程中会伴随着锂离子的移动，在此过程中会产生(放电)或吸收(充电)大量的热量，Qr可以通过式(4)计算：

(4)

式中，N表示电池数量；I为当前工况下的电流(A)；m为电极质量(g)；M为摩尔质量(g/mol)；q表示电化学反应(J)；F为法拉第常数，96 484.5 C/mol．

锂离子电池在一定倍率充放电的过程中会产生极化内阻，当电流通过时会产生极化热，其计算公式为：

Qp=I2Rp=I2(RΩ+Rn+Rd) (5)

式中，Rp为极化内阻阻值，RΩ为欧姆极化内阻，Rn为浓差极化造成的内阻，Rd为电化学极化内阻，单位均为Ω．

1.3 电池组的有限元模型

为缩短计算时间、保证网格质量，在不影响计算精度的前提下，在网格划分前对电池模组进行适当的简化处理，模组仅保留电芯、导热垫和导热翅片，采用Hypermesh将模组划分为六面体网格，网格数量为608万个．电池箱中各材料属性见表2．

表2 电池箱材料属性

为简化计算过程，假定电池箱中每块方型电芯的工作性能一致，不考虑电池组因受热而导致的变形，且流体为不可压缩物质．利用FLUENT软件进行仿真分析，冷却液的流动类型选择标准k-ε湍流模型，将流体和固体相接触的界面设置为耦合传热边界．设定电动汽车以90 km/h的速度在水平道路上匀速行驶，环境温度30℃，冷却液入口温度12℃，流量12 L/min．单电芯经实验测得发热量为10.5 W，xx、yy、zz3个方向的导热系数分别为1 W/(m·K)，32.5 W/(m·K)和32.5 W/(m·K)．

1.4 实验方案

实验的电池箱共包含4个电池模组，每个模组包含24块电芯，电芯按照图2所示箭头方向进行编号．模组1、2从左至右电芯编号为从1～24；模组3、4从上到下电芯编号为1～24．每块模组选择其中3块电芯检测温度，每个电芯上布置6个监测点，监测点位置分布如图3所示．

图2 电芯编号示意图

图3 电芯监测点位置分布图

温感布点共102个，分为电芯级、模组级、水冷板和pack级，具体温感分布数量及布点电芯编号见表3．

表3 温感分布数量

为验证数学模型和仿真结果的准确性，在3种工况下进行了实验验证．实验中车速为90 km/h，冷却液入口温度为12℃．实验1中环境温度为20℃，水泵流量为12 L/min，此时压缩机不工作，冷却液在冷却系统中自循环，也即冷却液吸收电池产生的热量，在水冷板中未与制冷剂换热，冷却液未被冷却．实验2、3中环境温度为30℃，压缩机转速为1 500 r/min，水泵流量分别为6.7 L/min和12 L/min．

2 结果与分析

2.1 电池组温度场仿真结果

仿真计算时在每个模组上分别设置1个监测点，共4个，用以监测电芯的温度变化，电池各模组温度温升曲线如图4所示．

图4 电池组各模组温升曲线

由仿真结果可得，电池组的最高温度为49.2℃，最低温度为34.8℃，最大温差为14.4℃，4个监测点的温度分别为：38.6℃、44.9℃、43.7℃、49.2℃，电池组温度均匀性较差．电池组1与2的温度场分布基本相同，电池组3与4的温度场分布基本相同．

2.2 电池组温升的实验结果

图5给出了在不同实验工况下的电芯监测点的温升曲线．从图5可以发现，在不同的实验工况下，电芯的温升有较大的分别．在3种实验条件下，电芯的最高温度分别为48.6℃、47.6℃和47.2℃，最低温度分别为36.8℃、36.5℃和36.0℃．对比实验1、3可发现当液冷系统冷却液工作但压缩机侧不工作时电芯温升范围较大为18～29.8℃，压缩机侧工作时电芯温升较小为7.7～18.8℃，可见液冷系统及制冷剂侧工作状态对整个电池系统散热效果较明显；对比实验1、3可发现，虽然水冷系统能降低电池的整体温升，但是对于降低电芯间的温差效果不明显；对比实验2、3可发现，冷却液流量变动对电池散热系统影响不明显．

图5 试验温升记录曲线

2.3 电池组温升的实验结果与仿真结果的对比

表4给出了电池组的最高温度、最低温度、4个监测点的温度的实验值和仿真值．通过仿真与实验对比可得，仿真温度与试验温度存在一定程度的误差，但是温升趋势基本吻合，试验与仿真之间产生的误差是由于在仿真时将单体电池视为均匀的生热源，没有考虑到放电时单体电池内各部位由于随着荷电状态的变化其化学反应产生的热量也不同，即单体电池在一定程度上具有温度不均匀性，因此势必会产生一定的误差．但总体而言，采用本文的仿真计算方法所得的结果基本符合实际情况．

表4 仿真与实验结果对比表 (单位：℃)

3 电池箱体结构优化

为获得更好的散热效果，本文对电池箱体进行了优化，给出了3种方案．

3.1 水冷板流道优化

由以上仿真和实验结果可得，采用液冷效果较为明显，在90 km/h匀速工况下电芯温度均能维持在50℃以内，但是电芯之间的温差较大．电池箱体采用L型结构，冷却流道内部及流向如图6(a)所示．目前所采用的流道结构无法使冷却液流过全部区域，经过对仿真和试验数据的分析，这些区域温差较大．为提高电芯与电芯之间以及为模组间的温度一致性，将对液冷板的流道进行结构优化．考虑到电池箱体轻量化的要求，暂不能对电池箱体进行过大更改，优化将在现有箱体结构的基础上进行，将最下方的主流道分解成3个小流道，使冷却液能够逐个流过整个箱体，如图6(b)所示．

图6 水冷板流道示意图

3.2 导热材料的优化

由前所述，电池组中每两块电芯放置一块0.5 mm的铝导热片和一块0.3 mm的硅胶垫，用于将电芯热量更快地传至液冷板，简称优化方案1．仿真和试验结果表明电芯上下温差较大，热量从电芯上部传至液冷板的环节热阻较大．为了减小电芯上下温差，本文拟通过减小该环节热阻来进一步优化传热路径．模组其他结构不变，采用导热系数比铝大的相同厚度铜导热垫片，优化结构简称优化方案2，将方案1和方案2耦合后的结构简称优化方案3．

3.3 优化结果分析

表5给出了优化后的电池组的温升情况．

表5 优化方案与原始方案对比表

从表5可以发现：优化方案1的最大温差为9.3℃，较原始方案下降了5.1℃，说明此优化方案提高了电池间的温度均匀性；优化方案1最高温度较原始方案下降了4.8℃，最低温度上升了0.3℃，说明方案1的流道结构较原始方案带走了更多的热量，在控制电池组温升上效果比原始方案显著；优化后的流道采用多通道，并且在流道拐角处的直角改变成圆弧形，降低了沿程阻力，减少了能量消耗；由于优化后的流道流经全部模组区域，所以监测点3、4的温度显著下降，提高了模组间的温度均匀性．

优化方案2最大温差为12.5℃，与原始方案相比整体温差下降不太明显；同时各个电芯竖直方向上的温差较原始方案大大降低，这是因为导热系数更高的铜导热片降低了竖直方向上热阻的原因．

3.4 优化后水冷板和铜导热片的耦合

优化方案1降低了模组的整体温差，但对改善电池单元竖直方向上温度均匀性效果不明显，优化方案2降低了竖直方向上的热阻，从而提高了该方向上的温度均匀性．本节考虑将方案1和方案2进行耦合．耦合后的结构简称优化方案3．优化模型后的仿真分析时的环境温度、初始边界条件与优化前的仿真参数完全一致．结果表明采用方案3后，电池组的最高温度和最低温度分别为39.3℃、31℃，最大温差为8.3℃．较方案1、2冷却效果以及电池单元间的温度均匀性有了较大提高，冷却系统压降也有所降低，该系统已满足电动汽车电池对温度的要求．

4 结 论

1)本文通过实验得到了电动汽车在90 km/h匀速行驶工况下不同环境温度下的温升曲线；研究发现未进行散热系统优化的电池箱温升较大，电芯之间温度均匀性较差．

2)通过对实验3工况下的仿真对比，验证了实验的准确性以及仿真的精度．

3)通过对增加分支流道、更换铜导热垫片优化，以及两者耦合的优化方案的仿真，分析了不同方案的优化效果，为工程优化提供了参考方向．