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基于液冷式電池組的導(dǎo)熱膠散熱分析

2022-02-03 21:15:25·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：張小秋等  
　
文章來(lái)源1.貴州大學(xué)2.貴州長(zhǎng)江汽車(chē)有限公司0引言動(dòng)力電池組具有能量密度高、電壓穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車(chē)最合適的蓄能裝置。而電池組對(duì)溫度敏感，在工作
文章來(lái)源1.貴州大學(xué)2.貴州長(zhǎng)江汽車(chē)有限公司
0引言
動(dòng)力電池組具有能量密度高、電壓穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為電動(dòng)汽車(chē)最合適的蓄能裝置。而電池組對(duì)溫度敏感，在工作過(guò)程中釋放的熱量使工作溫度升高，甚至可能導(dǎo)致熱失控。
目前主要采用空氣、液體或相變材料等設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）。液冷以導(dǎo)熱速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、管道布置靈活等優(yōu)點(diǎn)得到較好應(yīng)用。Duh等人指出極端的高低溫環(huán)境會(huì)對(duì)鋰電池的運(yùn)行效率和循環(huán)壽命造成影響；S.Panchal等人在鋰電池包上布置微通道液冷板，從流速分布、放電倍率和環(huán)境溫度方面研究對(duì)BTMS散熱性能的影響；Wang等人把導(dǎo)熱膠應(yīng)用到BTMS中一個(gè)單體中，單體的溫度分布受微通道數(shù)量和液體流速影響，但對(duì)冷卻液流動(dòng)方向影響不明顯；徐曉明等人在三種工況下，對(duì)比分析單體之間為空氣和填充導(dǎo)熱膠兩種電池包的溫度場(chǎng)分布情況，在勻速、NEDC工況下，填充導(dǎo)熱膠的電池包溫差分別降低了1.41℃、0.14℃、0.2℃；劉一凡等人分析了4種導(dǎo)熱膠形狀對(duì)電池組熱性能影響，隨著導(dǎo)熱膠與電池組接觸面積的減少電池組最高溫度增加、溫差減小，但不能忽略電池單體內(nèi)阻變化對(duì)散熱的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池單體內(nèi)阻隨SOC的變化，有利于提高仿真分析的準(zhǔn)確性，且單體之間存在一定的空氣間隙造成熱傳遞不均，導(dǎo)熱膠對(duì)電池溫度場(chǎng)有良好作用。
本文通過(guò)設(shè)計(jì)不同液冷式電池組導(dǎo)熱膠散熱結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定電池單體內(nèi)阻與SOC的關(guān)系并擬合公式，利用Fluent仿真對(duì)比分析導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)對(duì)電池組溫度場(chǎng)分布的影響，進(jìn)一步分析常溫和高溫工況下溫度場(chǎng)分布，驗(yàn)證其有效性。
1計(jì)算模型
1.1理論模型
（1）連續(xù)方程：
（3）生熱速率計(jì)算模型
1.2幾何模型
電池組采用五串的連接方式構(gòu)成，4個(gè)微通道均勻分布在底部液冷板；采用三種導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)方案，微通道液冷板分布在電池組的底部，分別在單體底部與液冷板之間都涂有一層1mm厚度的導(dǎo)熱膠，其中，（a）結(jié)構(gòu)在單體之間無(wú)填充，（b）、（c）結(jié)構(gòu)分別在單體之間填充的導(dǎo)熱膠厚度為5mm、1mm，導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)如圖1（d），基于不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)，建立液冷式電池組幾何模型，相關(guān)熱物性參數(shù)如表1。
2試驗(yàn)測(cè)試
通過(guò)充放電測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)，采用混合脈沖功率特性法（HPPC）測(cè)定電池單體內(nèi)阻與SOC的變化關(guān)系，以不同的環(huán)境溫度開(kāi)展試驗(yàn)，將電池置于相應(yīng)環(huán)境溫度的恒溫箱內(nèi)，底部與箱板絕緣，對(duì)電池單體進(jìn)行充放電試驗(yàn)，相關(guān)電池參數(shù)如表2。
將電池單體內(nèi)阻與SOC的關(guān)系式變換為SOC與時(shí)間t關(guān)系，其表達(dá)式為：
3結(jié)果分析
3.1常溫工況下電池組溫度分布
初始溫度為常溫25℃，冷卻液入口溫度20℃。對(duì)流系數(shù)取5W（/m2/K），對(duì)比分析電池組的溫升和溫度均衡性。
不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布如圖2。a結(jié)構(gòu)散熱性能較差，表現(xiàn)為電池頂部溫度最高，越靠近底部呈降低趨勢(shì)，如表3。最低溫度均為20.1℃，與冷卻液入口溫度20℃接近，說(shuō)明降低冷卻液溫度能有效促進(jìn)散熱，但過(guò)低的冷卻液溫度會(huì)使最大溫差上升。與a結(jié)構(gòu)相比，b結(jié)構(gòu)在單體之間填充5mm厚度的導(dǎo)熱膠，最高溫度為28.9℃，最高溫度增加了0.8℃，說(shuō)明導(dǎo)熱膠厚度對(duì)電池組散熱有影響；與b結(jié)構(gòu)相比，c結(jié)構(gòu)單體之間填充1mm厚度的導(dǎo)熱膠，最高溫度為23.2℃，最高溫度降低了5.7℃，冷卻效果較好；最高溫度曲線如圖3。
3.2高溫工況下電池組溫度分布
冷卻液入口溫度25℃，采用單體之間填充1mm厚度的c結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱膠圖4（a）~（c）為高溫工況電池組溫度場(chǎng)分布。
如圖4，在30℃工況下，最高溫度為32.6℃，最大溫差為7.5℃；在35℃工況下，最高溫度為33.2℃，最大溫差為8.1℃，相較于30℃工況增加了0.6℃；在40℃工況下，最大溫度為33.4℃，最大溫差為8.3℃，相較于30℃工況增加了0.8℃，如表4、圖5所示?？梢?jiàn)隨著高溫工況溫度的增加，電池組最高溫度和最大溫差趨于平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)熱膠均衡了溫度場(chǎng)。
4結(jié)論
通過(guò)試驗(yàn)得到電池單體內(nèi)阻與SOC的擬合公式，根據(jù)擬合公式編譯UDF更準(zhǔn)確的模擬電池單體的生熱速率，分別對(duì)不同導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)的液冷式電池組進(jìn)行仿真分析，得出（c）結(jié)構(gòu)為最優(yōu)散熱的一種導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)。利用最優(yōu)導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)在高溫工況下對(duì)導(dǎo)熱膠電池組散熱的影響進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：常溫工況下，導(dǎo)熱膠有助于電池組散熱作用，但其厚度過(guò)大會(huì)產(chǎn)生熱堆積；高溫工況下，所采用的（c）導(dǎo)熱膠結(jié)構(gòu)有利于降低電池組最高溫度和改善電池組溫度場(chǎng)均衡性。
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