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江铃 | 纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析

2021-03-01 23:11:34·  来源：焉知汽车热管理  
　
作者 | 林金源 魏小红/江铃汽车股份有限公司
作者 | 林金源 魏小红/江铃汽车股份有限公司
来源 | AUTO行家

导读：现阶段，在电动汽车的使用过程中，散热的问题严重影响着汽车电池的使用寿命。在电动汽车的动力电池当中，长期存在着导热系数较低、液冷系统结构不合理等诸多问题，为此本文主要就纯电动汽车电池组液冷系统进行优化，以及对冷却性能进行相应的分析，以此来提升液冷系统的散热能力。
 
关键字：纯电动汽车 电池组 液冷系统 冷却性能 冷却液

随着近些年来的发展，汽车行业当中的新能源汽车已经得到了一定的普及，更多的人在选择汽车的时候会考虑新能源汽车。在使用的过程中，由于汽车的放电会导致很多热能产生，一旦冷却系统无法及时的对这些热量进行吸收，就会导致电池的温度不断升高，进而降低了电池的使用寿命，甚至会导致电池的起火爆炸等事故的发生。

锂离子电池生热原理以及参数
电池生热原理、
在使用电池的过程中，放电过程是由一系列的化学反应而决定的 [1] 。同时在反应的过程中会产生一定的热量，为此对于电池所产生的实际热量可以用以下公式进行表示 [2] ：
在该反应式下，其Qr 用以表示反应热；焦耳热用Qj 表示；Qp 表示为极化热；Qs 表示为副反应热；Qe 则是表示电池在电极处所发生的反应热；n 表示为电池模组在电池当中的总数量；m 则是便是对于每一个单独电池的电机质量；I 则是电池充放电过程中的电流值；M 表示为摩尔质量；F 为法拉第常数；Re 则可以表示为电池的欧姆电阻值。
在所表示的副反应热当中，是组成主反应热的一部分，实际所产生的热量，是电池在使用的过程中，其电解液分解所产生的，在这个过程中，其产生的实际热量相对较小，一般情况下可以忽略不计。
在对电池放电的过程中所产生的实际热量进行相应的计算的过程中，需要依据上述表达出的具体反应式，进行数学模型的建立，以此提高计算过程的科学性。本文在分析这个问题的过程中，采用了Bernardi 的方式，对其电池所产生的热量进行相应的模型计算，具体的公式如下所示[3]：
q=[I-(E0-U1)-IT(dE0/dT)]/Vb
在该反应式下，q 为电池所产生热量的速度，又称热率，I 代表充电电流，E0 代表电池动势，UI 代表电压，T 则是表示为电池的实际温度，Vb 表示电池体积。
电池等效热物性参数
在本文的分析中，选择了18650 圆柱形锂离子电池，同时依据相关标准的规定，对其电池等效热物性参数进行选择。

电池组建模以及仿真分析
建立模型
为了进一步的让电池所产生的热量，能够很好的进行传递，让冷却液发挥出应有的作用，在本文的分析中，选用的液冷系统为底部散热的方式，也就是让水冷板同电池的底部进行相连。在具体的尺寸方面，需要保证在两个相邻的电池之间中心点的位置距离为19.2mm，而在相同行之间的电池距离上，则需要控制在23.4mm。在采用的水冷板尺寸方面，需要使用圆柱形水道，并将其直径控制在5mm，以蛇形的方式进行安装，以此保障每一条设置的水道，都同电池列的方向相互平行，在电池的正下方进行安装，以此形成最佳的散热效果。

同时，为了使车体的重量下降，就需要在水冷板的材质方面进行优化处理，需要采用较低密度，同时具有良好的导热系数的铝制材料。而在冷却液的方面，则需要保障其冷却性能较高，同时在不同的温度环境下，仍然可以拥有稳定的冷却性能，在冷冻液的选择上，本文选择使用50% 乙二醇水溶液，当作试验所用冷却液。
图1 电池组模型
仿真分析
为了保障进行的仿真试验具有较高的效率性以及准确性，需要依据以下的原则进行相应的电池模型简化，以及进行合理的假设。
由于电池均具备外壳，且系统之间并不会发生热量的交换，因此在进行设计的过程中，出于节约成本的目的，在进行计算的过程中，可以对电池组的外壳的影响因素进行忽略。同时在建立起的模型方面，需要导入仿真数据，对其进行六面体网格的实际划分，这样就可以形成合理的电池组网格模型，并对其进行细致的分析。下图1 为电池组模型。

在进行液体流动模型的建立过程中，需要依据冷却液在水冷板中的流动状态进行决定，为此需要针对雷诺方程进行模型的确定。

为了保障能够在设定好的边界条件下，进行相应的仿真试验，以此获取到电池组在使用的过程中，放电终止之后电池表面温度的实际分布，以此来绘制出电池在放电过程中，电池组的最高温度与最低温度的实际变化。具体的变化如下图2 所示。

图2 电池组温度变化
如上图2 所示，在电池组放电的过程中，实际最高的温度在29 摄氏度左右，该温度出现在电池组的上方位置，这样的原因是由于电池本质上是一种不良的导热介质，同时该部位远离水冷板，以此造成了热量传递的不佳，因此该处的温度较高。而电池组最低温度为25 摄氏度左右。这个温度出现在电池同水冷板的接触位置，且十分靠近冷却液的入口处位置。这里温度的最低，是由于在这个位置有着较强的换热能力，为此该处的温度达到了最低，拥有着较强的热量交换效果。在电池放电终止之后，对电池组的最高温度与最低温度进行温度差的计算，实际的温度差在3 摄氏度左右，因此符合锂离子在工作的过程中，最佳的温度差为5 摄氏度以下的标准。
液冷系统结构优化
在对于电池组的温度情况进行分析之后，由于在电池靠近水冷板的位置有着较好的温度控制，而在远离水冷板的一侧导热效果不佳，这种情况的发生是由于电池是一种导热性质不好的介质，导热系数较低，使得无法将一侧的热量传递到另一侧，因此冷却液无法很好的吸收电池所发出的热量，因此让电池温度升高。因此需要进一步的对其电池结构进行优化，以此让冷却液能够高效吸收热量，让电池在放电的过程中，保持温度的一致性。在设计出的全新冷却系统的机构中，需要主要是采用，在电池的顶部位置，进行微型水冷管路的安装，从而解决上部没有同水冷板接触的温度，进而解决在发热的过程中存在的温度不均的问题。同时，为了进一步的对结构支路冷却液流量发生变化的问题进行处理，需要安装一些小型的节流阀，以此来对每一个入口处进行流速的控制，这样最大化的优化液冷系统。
 
在优化的过程中，还需保持原始的边界条件不发生相应的变化，同时再将优化后的液冷系统，以及电池组进行仿真模拟，从而对其进行网格的划分，以形成仿真的实验分析。
 
在分析的过程中，发现放电在终止之后，实际的最高温度在26 摄氏度左右，因此比优化设计之前，降低了2 摄氏度左右，而最低温度也在25 摄氏度左右，降低了不到1 摄氏度，同时将最大的温度差降低到了1 摄氏度左右，为此形成了良好的优化效果。之后为了进一步的对优化设计进行合理性的分析，还对两组不同的温度差进行了详细的对比，以得出优化方案可以很好的解决温度不均匀的现象。
 
结 语
综上所述，在对纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析过程中，为了进一步的提升电池的使用寿命以及使用过程中的安全性，就需要对其发生的温度不均匀问题进行解决，本文采用对冷却系统进行结构优化的方式进行处理。
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