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基于液冷式电池组的导热胶散热分析
2022-02-03 21:15:25· 来源：电动学堂 作者：张小秋等
文章来源1.贵州大学2.贵州长江汽车有限公司0引言动力电池组具有能量密度高、电压稳定、寿命长等优点成为电动汽车最合适的蓄能装置。而电池组对温度敏感，在工作
文章来源1.贵州大学2.贵州长江汽车有限公司
0引言
动力电池组具有能量密度高、电压稳定、寿命长等优点成为电动汽车最合适的蓄能装置。而电池组对温度敏感，在工作过程中释放的热量使工作温度升高，甚至可能导致热失控。
目前主要采用空气、液体或相变材料等设计电池热管理系统（BTMS）。液冷以导热速度快、结构紧凑、管道布置灵活等优点得到较好应用。Duh等人指出极端的高低温环境会对锂电池的运行效率和循环寿命造成影响；S.Panchal等人在锂电池包上布置微通道液冷板，从流速分布、放电倍率和环境温度方面研究对BTMS散热性能的影响；Wang等人把导热胶应用到BTMS中一个单体中，单体的温度分布受微通道数量和液体流速影响，但对冷却液流动方向影响不明显；徐晓明等人在三种工况下，对比分析单体之间为空气和填充导热胶两种电池包的温度场分布情况，在匀速、NEDC工况下，填充导热胶的电池包温差分别降低了1.41℃、0.14℃、0.2℃；刘一凡等人分析了4种导热胶形状对电池组热性能影响，随着导热胶与电池组接触面积的减少电池组最高温度增加、温差减小，但不能忽略电池单体内阻变化对散热的影响。通过实验测定电池单体内阻随SOC的变化，有利于提高仿真分析的准确性，且单体之间存在一定的空气间隙造成热传递不均，导热胶对电池温度场有良好作用。
本文通过设计不同液冷式电池组导热胶散热结构，实验测定电池单体内阻与SOC的关系并拟合公式，利用Fluent仿真对比分析导热胶结构对电池组温度场分布的影响，进一步分析常温和高温工况下温度场分布，验证其有效性。
1计算模型
1.1理论模型
（1）连续方程：
（3）生热速率计算模型
1.2几何模型
电池组采用五串的连接方式构成，4个微通道均匀分布在底部液冷板；采用三种导热胶结构方案，微通道液冷板分布在电池组的底部，分别在单体底部与液冷板之间都涂有一层1mm厚度的导热胶，其中，（a）结构在单体之间无填充，（b）、（c）结构分别在单体之间填充的导热胶厚度为5mm、1mm，导热胶结构如图1（d），基于不同导热胶结构，建立液冷式电池组几何模型，相关热物性参数如表1。
2试验测试
通过充放电测试系统平台，采用混合脉冲功率特性法（HPPC）测定电池单体内阻与SOC的变化关系，以不同的环境温度开展试验，将电池置于相应环境温度的恒温箱内，底部与箱板绝缘，对电池单体进行充放电试验，相关电池参数如表2。
将电池单体内阻与SOC的关系式变换为SOC与时间t关系，其表达式为：
3结果分析
3.1常温工况下电池组温度分布
初始温度为常温25℃，冷却液入口温度20℃。对流系数取5W（/m2/K），对比分析电池组的温升和温度均衡性。
不同导热胶结构的温度场分布如图2。a结构散热性能较差，表现为电池顶部温度最高，越靠近底部呈降低趋势，如表3。最低温度均为20.1℃，与冷却液入口温度20℃接近，说明降低冷却液温度能有效促进散热，但过低的冷却液温度会使最大温差上升。与a结构相比，b结构在单体之间填充5mm厚度的导热胶，最高温度为28.9℃，最高温度增加了0.8℃，说明导热胶厚度对电池组散热有影响；与b结构相比，c结构单体之间填充1mm厚度的导热胶，最高温度为23.2℃，最高温度降低了5.7℃，冷却效果较好；最高温度曲线如图3。
3.2高温工况下电池组温度分布
冷却液入口温度25℃，采用单体之间填充1mm厚度的c结构，导热胶图4（a）~（c）为高温工况电池组温度场分布。
如图4，在30℃工况下，最高温度为32.6℃，最大温差为7.5℃；在35℃工况下，最高温度为33.2℃，最大温差为8.1℃，相较于30℃工况增加了0.6℃；在40℃工况下，最大温度为33.4℃，最大温差为8.3℃，相较于30℃工况增加了0.8℃，如表4、图5所示。可见随着高温工况温度的增加，电池组最高温度和最大温差趋于平稳，结构中的导热胶均衡了温度场。
4结论
通过试验得到电池单体内阻与SOC的拟合公式，根据拟合公式编译UDF更准确的模拟电池单体的生热速率，分别对不同导热胶结构的液冷式电池组进行仿真分析，得出（c）结构为最优散热的一种导热胶结构。利用最优导热胶结构在高温工况下对导热胶电池组散热的影响进行仿真分析，结果表明：常温工况下，导热胶有助于电池组散热作用，但其厚度过大会产生热堆积；高温工况下，所采用的（c）导热胶结构有利于降低电池组最高温度和改善电池组温度场均衡性。
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