一种电动车锂电池包热管理系统的设计与分析

田甜

（广州城市理工学院汽车与交通工程学院 广东省广州市 510800）

1 引言

锂离子电池相对于目前市场上各类新能源汽车用动力电池而言，在循环寿命、工作电压、环境友好性、自放电率、能量密度和功率密度等多方面上都更有优势。但锂离子电池的缺点是热不稳定，因此需对电池进行热管理措施，从而使电池工作处于适宜且合理的温度范围内，所以研究锂电池有效可行的热管理措施就显得十分重要。

2 锂离子电池生热传热机理

锂离子电池的原理是一种锂离子浓差电池，充放电过程其实就是Li+在正负电极往返嵌入和脱离。由锂电池生热传热机理可以得到，温度对锂电池的可用容量比率、内阻、电解质、循环充放电次数、还有锂电池的放电容量，都有着非常大的影响。因此，在设计电池包的时候，一定要着重考虑到热管理系统。常见的动力电池散热技术方案主要分为风冷、液冷、相变冷却和热管冷却等。

3 锂离子电池液冷热管理模型的设计

电池包设计为 288V，72Ah，选择20 个由30 并4 串的电池模组串联形成电池包整体，即由30 个单体电池并联形成一个并联电池模组，然后将4 个并联电池模组串联形成一个电池模组，最后将20 个电池模组串联组成电池包。

冷却系统液冷管道设计为折弯与每排电池进行贴合，从而减少空气间隙，增大接触面积，提高散热性能同时起到电池固定作用减少电池间碰撞，提高安全性能；管道通道为长方形单通道，但为确保冷却效果，考虑增大液冷流量和流速，因此增大通道宽度和增加折弯处从而提高流速。

3.1 并联电池模组排列及箱体设计

电池模组由4 个单体电池并联模组串联形成，并联电池模组共由30 个单体18650 圆柱形锂离子电池并联排列组成，30 个电池分5 列间隙为25mm，每列6 个单体锂离子电池，与箱体内壁间隙为15mm 和16mm，离管道入口的间隙为21.5mm，每列间隙围绕着冷却管道和导热材料，并联电池模组三维模型及电池箱体如图1。

3.2 冷却管道及导热材料模型设计

液冷热管理系统选用冷却管道围绕电池，橙色部分为冷却管道，冷却管道布置方案为：从入口管道开始管道围绕每列电池进行曲折分布，做固定电池作用，同时也为增大接触面积；为了更大的传热接触面积以便达到更好的散热效果，管道设计成扁长形，电池与管道之间布有导热材料，即绿色部分所示，导热材料的加入能更有效率地把电池产生的热量传递到冷却管道的接触面上，这样散热效果更高效，为节省空间，出口管道与入口管道布置在同侧。如图2 所示。

4 液冷模型仿真分析

为确定设计的电池包液冷系统能有效工作，分析设计的液冷模型能否有效散热，以确保设计方案的可行性，用Fluent 软件对设计好的并联电池模组和冷却管道进行水路流和电池固体温度场稳态耦合分析，确定其散热有效性。

4.1 网格划分

采用Fluent 自带的Mesh 对设计好的并联电池模组和冷却管道等零件进行网格划分如图3。把在SCDM 简化后的并联电池模组和壳体以0.5mm～4mm 的尺寸导入Fluent Meshing，获得高质量的CFD 表面网格，网格数量是223099，冷却管道和导热硅胶片网格数量是698218。

图1：并联电池模组及箱体三维模型

图2：总装配示意图

图3：模组和冷却管道网格划分

表1：模型物理参数

图4：环境温度298.15K 下的仿真结果

图5：冷却管道中冷却液速度分布云图

4.2 物理模型参数设置

网格划分完成后的两个模型进入solver 模式进行组装，打开能量方程和湍流模型设置为标准的开氏度模式，把电池简化成了一个圆柱体实体，得不同方向的导热系数，以圆柱的轴线方向为X 方向。根据模型零件一一对其赋予材料设置如表1 所示。

4.3 设定边界条件

设定电池能量源项，在1C 放电倍率的条件下，单体电池平均产热功率为1.08W，模型初始化后可计算出30 个单体电池的总体积为0.0005243334m3，因此总生热功率为30×1.08/0.0005243334=61792w/m3。

初步定义边界条件冷却管道入口速度为1m/s，温度为25℃（298.15K），出口压力为一个大气压；壳体表面设置为对流条件，环境温度25℃（298.15K），换热系数为5W/m2×k，其他壁面绝热。

4.4 模型仿真结果与分析

设置好参数和条件后，定义100 步，最大迭代次数为10，然后进行计算。初设温度为25℃，采用液冷方式对并联电池模组的仿真结果如图5 所示。

从分析图可以看出，在25℃，放电倍率为1C 的条件下，管道环绕电池形式的液冷模型仿真结果显示，总体最高温度为308.5K，电池的最高温度在306K 左右，有效最低温度基本在301K 之间，温差在5K 左右，仿真结果在电池合适的工作温度范围内。冷却管道入口温度最低，入口有效温度在298.7K 左右，随着管道流动的长度增加，温度逐渐增加，在与电池连接的最末端，温度基本在302.4K 左右，增长约3.7K。在电池末端，未能与冷却管道进行曲面接触的圆柱面温度最高，冷却管道和电池紧贴处散热效果明显；扁长形管道因能更大地与电池面接触，因此整体温度差别主要表现正负极处。

而在冷却管道的速度云图5 上，可以看出，冷却液在管道拐弯处的拐点位置速度较快，在直角的拐点处，速度出现了增速，对管道内壁会造成一定冲击；同时结合温度云图4(a)可以看到在拐点处电池的热交换范围有稍微的增加，电池的横向温差变小，因此可初步得出冷却液流速增加对电池热交换产生的温差会较小，更有效地散热，但是速度过大，对管道冲击会增加，管道的可能会出现震动甚至破裂，而且若流速要增加则会对水泵功率要求会更高，能耗会增加。

5 结论

以18650 型锂离子电池作为基础对锂离子电池的发热和温度分布进行分析并采用液冷散热的电池技术进行研究其散热效益，主要研究如下：

（1）以30 个单体18650 圆柱形锂离子电池组成的电池小模组为研究对象，设计了一种电动汽车锂电池包及液冷热管理系统。

（2）以30 个单体组成的小模组、在每排电池两侧进行弯曲布置冷却管道和导热硅胶片的设计，并利用Fluent 分析软件完成冷却管道的流体传热分析，验证了所设计的冷却管道是合理的。

（3）在25℃，放电倍率为1C 的条件下，以电池模组中最高温度和最大温差为指标，对液冷热管理系统冷却管道的流速，流量和管道高度等进行仿真分析，得到设计的液冷散热系统具有有效的冷却效果，能够有效合理地把控电池模组的理论适宜工作温度区间在25℃-40℃，单体之间温差不高于5℃。