一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计_付波.pdf

随着新能源汽车动力电池的能量密度日益提高，一般风冷散热方式难以满足电池散热要求。因此，提出了一种新型热管嵌入式动力电池风冷散热模组，在不同工况下对电池最高温度及最大温差进行数值计算，并将其性能与无热管的风冷散热模组进行比较。结果表明，在电池以最大倍率（）放电，空气流量为 时，有热管的电池模组对比无热管的电池模组，其电池最高温度降低了 ，电池间最大温差降低了 ，表明该模组满足电池散热要求同时具有更佳的散热性和均温性。通过优化散热器翅片参数可进一步提高该模组的散热性能。关键词：电池模组；数值模拟；热管；均温性；风冷散热中图分类号：文献标识码：文章编号：（）全球大气污染和能源危机问题不断加剧，使世界各国都在试图进行汽车产业的转型，而发展电动汽车已被看成是转型低碳经济和保障能源安全的重要途径。动力电池作为电动汽车最为核心的零部件之一，其工作性能表现出对温度的高度敏感性，当其工作温度过高或过低时，将引起电池可用容量较快衰减，从而直接影响电动车的续航里程和电池的使用寿命。随着动力电池的大型化和高集成化，为保证动力电池的工作性能和安全性能，对动力电池组采取有效的散热措施便显得尤为重要。目前针对动力电池的散热方式，主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却等。空气冷却一般利用强制对流方式，让空气流经电池表面从而带走热量，主要可通过优化风道设计和电芯排列布置来提高该方式的散热性能。等构建的不均匀电池间距分布的对称风冷系统，相比非对称系统，使得电池间最大温差降低了，能耗降低了。并行结构复杂，占用空间大，可通过改变流道进风角电 子 器 件第 卷度、出风角度和预留的流道尺寸调整散热效果。等对带有导热散热板（）的风冷电池模块进行数值研究，在优化参数 厚度、套管长度、下游长度和相邻电芯间距后，使得电池模块温升和温差分别降低了 和。当电池以高倍率放电时，空气冷却难以保证电池散热要求，所以散热效果更加高效的液冷方式引起了研究人员的关注，实现液冷的最常见方式是运用液冷板，而影响其散热效果的主要因素则是通道形状和结构参数。等设计了多种不同结构的微型通道液冷板，通过数值分析对比发现具有锯齿形和圆形槽道的液冷板具有最优的冷却性能。等提出了一种嵌入相变材料的液冷板用于电池组散热，因其结合主动和被动冷却方法使其比同体积的传统铝制液冷板轻，循环冷却剂所需的泵能耗下降，同时表现出了更佳的温度一致性。热管作为一种基于相变原理传热的高效导热器件，具有寿命长、应用灵活、小尺寸、重量轻等优点，在电子散热领域应用十分广泛。近来，有研究开始把热管运用于电池散热方面，等研究了由热管和相变材料构成的被动冷却系统。发现与没有被动冷却的系统相比，使用热管可以在 热负载下将电池温度降低 ，而若再结合相变材料（蜂蜡），则可使最大温度降低 。等提出了一种液冷板结合热管的电池散热方案，并使用 电池模块对该方案的散热性能进行验证，通过和没有热管的液冷板进行对比，发现该散热方案可以使电池组的最高温度和温度一致性下降 和。然而，运用热管结合风冷对电池组进行散热的研究仍然较少，因此本文设计了一种新型热管结合风冷的散热系统，采用理论分析和数值仿真结合的方法对该散热系统的散热性能进行分析，并和没有采用热管的散热系统进行对比，以此验证该设计方案的可行性。系统的几何模型电动汽车动力电池组通常是由多个电池模块组成，而电池模块之间又具有相互独立性；因此，本文将以目前主机厂在中高端车型上倾向于采用的方形电池（具有内阻小、循环寿命长、封装可靠度高、耐受性好、成组相对简单、系统能量效率高等优势）为例，并对由十二个电池单体组成的单个电池模块进行分析探讨，以符合整个电池组的散热性能规则。其单体电池的性能参数如表、表 所示。表 电池单体性能项目技术参数单位额定容量 标称电压比能量（）开路电压内阻直流内阻质量充电截止电压最大持续充电电流放电截止电压最大持续放电电流混合脉冲功率放电功率 回馈功率工作温度充电：放电：外形尺寸材料体系磷酸铁锂产品分类及用途能量型 电动汽车 储能循环寿命 次表 电池各部分的热物性参数材料密度（）导热系数（）比热（）电池单体 极耳正极 极耳负极 隔膜 壳体 图 热管散热器模组（结构图）图 为本文所探讨的电池热管散热器模组（结构图）。该电池模组由十二个电池单体并排组成，每两个电池单体之间夹有一块 厚的铝板，每块铝板两端分别嵌入一根直径为 的 型热管，分布如图 所示；热管上端分别嵌入铝板垂直方向的 和 处，热管下端则嵌入散热器翅片垂直方向 和 处，散热器基板则紧贴电池底面。如此结构可增加电池热量扩散路径，即让热量可通过热管快速传至散热翅片，热管冷凝端采用分第 期付 波，段会强等：一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计 图 热管散热器模组结构（侧视图）层嵌入散热器结构可使热量更加均匀分布于散热翅片，从而保证散热器的温度均匀性，进而提高整个模组的散热性能。图 为一般的无热管散热器模组结构图，除热管外其余参数不变，用来对应本文所探讨的热管散热器模组（见图），并对两者进行散热性能的验证分析。图 一般散热器模组（结构图）数值模型 数学模型热量传递方式包含热传导、热对流与热辐射三种。本文采用强制风冷散热方式，故忽略辐射换热且不计重力影响，将空气视为理想气体。基于以上假设，还应满足流体质量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律，三大定律具体表述如下：质量守恒方程：也称连续性方程，指单位时间内微元体内流体质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量，数学表达式如下：（）（）（）（）式中：为流体密度，单位：；为时间，单位：；、和 为流体在、三个方向上的速度分量。动量守恒方程：也称为 方程，指微元体中流体动量的增加率等于作用在微元体上各种力之和，数学表达式如下：（）式中：为流体压强，单位为；、分别为在、方向上的体积力分量；为流体的运动粘度，单位为 ；、分别为流体在、方向的粘性力。能量守恒方程：能量守恒定律实际上就是热力学第一定律，微元体内热力学能的增加率等于进入微元体内的净热流量加上体积力与表面力对微元体所做的功，数学表达式如下：|（）式中：为流体微元内能增长速率，单位为 ；为单位体积流体产生的热速率，单位为 ；为单位体积流体产生的摩擦热，单位为 。电池加热模型动力电池在工作时，产生的热量主要由副反应热、极化热、焦耳热和反应热组成，而对于锂离子电池，通常其产生的副反应热很少，可以忽略不计，因此电池总产热量 可表示为：（）式中：表示反应热，表示极化热，表示焦耳热，单位均为。反应热 表示电池在充电阶段或放电阶段产生的热量，其是可逆的，它与电池反应过程中的熵变有关，该值在电池放电阶段大于零，在充电阶段小于零。反应热 的具体表达式为：（）式中：代表充电或放电过程中的离子转移数，代表法拉第常数，单位为 ，其值为 ；代表电池电动势，单位为；代表开尔文温度，单位为。当电池工作时，电池电极表面发生的实际电位偏离平衡电位的现象被称为极化现象，由于电池平均端电压与开路电压的差异，压降产生的热量为极化热。极化热 的具体表达式为：（）（）式中：代表充电电流或放电电流，单位为；表示极化电阻、总电阻和焦耳电阻，单位为。电池焦耳电阻包括构成电芯的各种材料的内阻和材料之间的接触电阻，电池在工作时，电流经过每一个电阻时都会产生焦耳热，而且产生的焦耳热是不可逆的，焦耳热在电池产生的总热量中占有很大的比例。其具体表达式为：（）电 子 器 件第 卷式中：代表充电电流或放电电流，单位为；代表焦耳电阻，单位为。边界条件 网格划分对于数值模拟而言，网格划分尤为关键，网格划分的质量将直接影响仿真结果准确性。由图 显示网格独立性的验证结果，可以看出，万个单元的网格系统已达本数值模拟的最优化（最小温度变化区间）。图 网格独立性 边界条件设置本文中研究的电池标称容量为 ，电池单体被 视 为 正 交 各 向 同 性 材 料，其 导 热 系 数 为 （）、极耳正极和负极的导热系数分别为 （）和 （）（见表）。基于前面建立的电化学热模型，可以计算出电池在不同放电倍率下的热功率，通过理论计算可知，该电池单体以、和 不同倍率放电时，对应的热功率分别为 、和 。文中将电池单体设为体积热源，散热器材质为铝，其导热系数为 （）。热管的相变传热过程颇为复杂，难以用数值方法模拟其相变过程，因此本文仿真时将其近似等效为一根具有高导热系数的金属材质，根据工程经验及参考文献设置其导热系数为 （），其他各材料的具体参数如表 所示。环境温度设置为，计算雷诺数判定空气流动状态为湍流，因此选择 湍流模型。表 材料参数名称材质导热系数 （）铝板散热器热管 导热硅脂 散热器的优化 优化参数分析对于风冷散热系统而言，散热器的性能直接影响整个散热系统的散热性能，因此对散热器进行优化尤为重要，初步设计散热器各参数如下：散热器基板高度为 ，翅片厚度为 ，翅片间距为 ，翅片数量为，翅片处沟槽数量为，沟槽宽度为 。以下将在相同条件电池以最大倍率 放电、空气流量为 条件下，探讨散热器各项参数对模组电池表面最高温度的影响（同时保持其他参数不变）。散热器基板厚度对温度的影响不同基板厚度下电池最高温度变化如表 所示。表 不同基板厚度下温度变化基板厚度 最高温度 由表 可知，随着散热器基板厚度增大，电池最高温度虽逐渐升高，但差异不大，主因是热流密度不高，但考虑到散热器的强度，选择基板厚度为 来探讨。沟槽数量和沟槽宽度对温度的影响在散热器翅片处增加沟槽数量和加大沟槽宽度可以增加空气扰流，提高湍流强度，从而提高换热效率，但与此同时会减少散热器翅片的换热面积，进而影响换热效率。以下探究不同沟槽数量和沟槽宽度对电池最高温度的影响，不同沟槽数量和沟槽宽度下电池最高温度变化如表 所示。表 不同槽数和槽宽下温度变化槽数槽宽 温度 由表 可知，相同沟槽宽度下，电池最高温度随沟槽数量增加而升高，但温度差异不大，根据热管散热器模组整体结构（见图），知当沟槽数为 时散热器才具有对称性结构；相同沟槽数量下，电池最高温度随沟槽宽度增加而升高，可知此时随着沟槽宽度的增加，散热器换热面积减少带来的影响大于扰流增大的影响，从而使电池最高温度有所升高。综上所述，第 期付 波，段会强等：一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计 确定优化后沟槽数量为，沟槽宽度为 。翅片厚度对温度的影响不同散热器翅片厚度下电池最高温度变化如表 所示。表 不同翅片厚度下温度变化翅片厚度 最高温度 翅片间距对温度的影响不同散热器翅片间距下电池最高温度变化如表 所示。表 不同翅片间距下温度变化翅片间距 最高温度 翅片参数优化分析可知，散热翅片数量、翅片厚度及相邻翅片的中心间距相互制约，当中心间距和翅片数量一定时，翅片厚度增大可增加导热量，但同时由于翅片间隙减小导致系统阻力增大。同理，当翅片厚度一定，增大中心间距使间隙增大从而降低系统阻力，但与此同时翅片数量减少使得散热器的散热面积减小。因此，参考上述结果，当散热器基板厚度为 ，沟槽数目为，沟槽宽度为 时，探讨不同翅片厚度和翅片宽度对电池最高温度的影响，选择翅片厚度为 、和 ，翅片间距为、和 ，对翅片厚度和翅片间距做仿真数据对比，仿真计算结果如表 所示。表 不同翅片参数下温度变化翅片厚度 翅片间距 翅片数量 最高温度 根据仿真结果，分析翅片厚度和翅片间距对散热性能影响趋势以及影响大小如图 与图 所示。由图 可知，随着翅片厚度的增加，电池最高温度不断升高。根据牛顿冷却公式，流体流过固体表面的热流量 一定时，散热面积 与对流换热系数 的乘积越大，流体与物体接触面的温差 越小，散热性能越好。分析可知，当翅片间距一定，翅片厚度增加时，空气粘滞作用增加，翅片间气体流动阻力增加，虽翅片散热面积也有所增加，但散热面积增加带来的优势小于粘滞作用带来的劣势，即粘滞作用大于散热面积的作用，因此整体散热性能降低，从而最高温度有上升的趋势。图 不同翅片厚度下温度变化由图 可知，随着翅片间距的增加，电池最高温度总体先升高后降低。当间距较小时，气体流动的阻力（空气粘滞作用）较大，但同时翅片数量较多（即热交换面积较大），此时散热面积的作用大于空气粘滞作用；随着间距的增加，粘滞作用减弱，但同时翅片数量减少，此时粘滞作用减弱的优势并没有超过因换热面积减少带来的弱势，因此温度有所升高；再随着间距持续增加，粘滞作用优势明显，使得粘滞作用大于散热面积的作用，因此最高温度有下降的趋势。图 不同翅片间距下温度变化通过分析散热器各个参数对散热效果的影响，并考虑到整体散热器的结构和性能，确定优化后的散热器参数如下：散热器基板高度为 ，翅片厚度为 ，翅片间距为 ，翅片数量为，电 子 器 件第 卷翅片处沟槽数量为，沟槽宽度为 。以下将在此优化参数下对热管散热器模组和一般散热器模组（二者除有无热管外其余结构参数均一致）进行散热性能的仿真对比分析。仿真结果分析 电池温度场分布为了对比热管散热器模组和一般散热器模组的散热性能，在相同条件电池以最大倍率 放电、空气流量在 下，通过仿真计算得到二者电池模组的温度分布云图，如图（）、图（）所示。图 电池模组的温度分布云图从图 的温度分布云图可知，热管散热器的电池模组温度分布为 ，最大温差为，对照一般散热器的电池模组温度分布为 ，最大温差为 ；前者的电池模组里最高温度降低了 ，且最大温差也降低了 ，说明热管散热器的电池模组比一般散热器的电池模组表现出更佳的散热特性。究其原因，热管的运用使得电池的热量可以更快地传至散热翅片，并且热管冷凝段部分直接暴露在空气流道中，可以加快和空气间的热量交换，进而提高整个模组的散热性能。不同放电倍率下电池模组温度变化其次，探讨二散热模组在相同空气流量 条件下，不同放电倍率（）下的电池模组温度变化。由图 与图 可知，二散热模组电池最高温度和最大温差均随放电倍率的增大而升高；热管散热模组的电池温升趋势要缓于一般无热管散热模组，特别是在相同放电倍率下，其最高温度和温差幅度均低于一般散热模组，说明热管的确发挥其热量快速传递且平衡系统的关键角色，且该温度差异随着放电倍率增加而逐渐增大。表 说明，随着放电倍率增加，最高温度下降趋势增大，而最大温差下降幅度不大，是因为受制于主动式散热的空气温升影响所致。结论表明电池模组搭配热管散热模组相比于一般散热模组，能具有更佳的散热性能，同时表现出更好的温度均匀性，且其随放电倍率的增大而体现愈明显。图 不同放电倍率下的电池温度变化图 不同放电倍率下的电池温差变化表 不同放电倍率下热管散热模组冷却性能的比较放电倍率 最高温度下降 最大温差下降 不同空气流量下电池模组温度变化接着，探 讨 二 散 热 模 组 在 不 同 空 气 流 量（）条件下，固定放电倍率为时电池模组温度变化。图、图 表明，电池模组的最高温度和最大温差均随空气流量的增大而减小；热管散热模组的电池在温降后的最高温度和最第 期付 波，段会强等：一种基于风冷系统的新型汽车动力电池散热模组设计 大温差幅度也都是相对低于一般散热模组，特别是在相同空气流量条件下，这也说明热管的确发挥其热量快速传递且平衡系统的关键角色，且该温度差异随着空气流量增加而逐渐缩小。表 说明，随着空气流量增大，电池最高温度和最大温差下降幅度也跟着增大。结论表明电池模组搭配热管散热模组相比于一般散热模组，能具有更佳的散热性及均温性，且其随着空气流量的增大而体现愈明显。图 不同空气流量下的电池温度变化图 不同空气流量下的电池温差变化表 不同空气流量下热管散热模组冷却性能的比较空气流量（）最高温度下降 最大温差下降 总结本文提出了一种新型热管嵌入式动力电池风冷散热模组。电池组布置于散热器基板上，散热器辅以风冷散热，通过热管分层嵌入散热器的布置以提高整体模组的散热性能。并在不同工况下对电池的最高温度和最大温差进行数值计算。结论如下：对散热器翅片各项参数进行了探讨，分析了各参数对模组散热性能的影响，并确定了散热器优化后的各项参数。在相同条件即电池 放电，空气流量为 时，与一般散热器模组相比，热管散热器模组实现了更低的电池模组最高温度和最大温差。当空气流量一定时，电池模组的最高温度和最大温差随放电倍率增大而增大。当放电倍率一定时，电池模组的最高温度和最大温差随空气流量的增大而减小。在相同条件下，热管散热器模组均比一般散热器模组表现出更佳的散热性能。参考文献：曹镇杭，胡延明，刘洋，等 我国纯电动汽车发展及对策 时代汽车，（）：何倩，孙仁云，邓美俊，等 电动汽车动力电池热管理技术分析 汽车零部件，（）：刘泽慧，高迎慧，孙鹞鸿，等 锂离子电池散热技术研究进展 电池，（）：段文卿 风冷式动力电池包温度场分析及优化重庆：重庆交通大学，：，：黄馗，王文 动力电池组液冷散热系统 电源技术，（）：谢永东，汤其明，何志刚，等 锂电池组液冷结构设计及散热影响因素分析 车用发动机，（）：，：，：高梓豪 热管散热式动力电池模组设计及热场分析 重庆：重庆交通大学，刘霏霏 微热管在电动汽车电池热管理系统中应用关键技术研究 广州：华南理工大学，（），：电 子 器 件第 卷 ，：，：李健，萧维智，葛鹰 液冷冷板散热翅片形状与排布研究 流体机械，（）：曾俊雄，熊飞，朱林培，等 液冷和冷媒直冷动力电池包冷却性能数值分析 汽车工程学报，（）：，（）：，：，（）：，：，：吴学红，王凯，马西锋，等 基于相变与液冷复合的动力电池高温散热性能研究 低温与超导，（）：，：付 波（），男，江西宜春人，在读硕士研究生，研究方向为电子元器件散热技术；段会强（），男，山东日照人，在读硕士研究生，研究方向为电子元器件散热技术；金积德（），男，中国台湾人，博士，教授，主要研究方向为高效温控及散热系统的研究与开发等。