高温环境利用空调蒸发器并行分冷动力电池组

张海明　侯刚

摘 要：锂电池工作的适宜温度范围为15℃-35℃，由于放电生热加上夏季较高的环境温度使得電池的温度很难满足要求。通过流热耦合分析得利用来自空调蒸发器的冷却空气强制风冷电池模组有较好的降温效果。最高温度由46.875℃降至34.29℃，最大温差由3.485℃降至1.808℃。

关键词：锂电池 空调 强制风冷

Parallel Cooling Power Battery Pack Using Air Conditioner Evaporator in High Temperature Environment

Zhang Haiming Hou Gang

Abstract：The suitable temperature range for lithium battery operation is 15℃-35℃. Due to the heat generated by discharge and the higher ambient temperature in summer， the battery temperature is difficult to meet the requirements. Through the flow-heat coupling analysis， it is found that using the cooling air from the air-conditioning evaporator to force the battery module to cool down has a better cooling effect. The maximum temperature dropped from 46.875°C to 34.29°C， and the maximum temperature difference dropped from 3.485°C to 1.808°C.

Key words：lithium battery， air conditioner， forced air cooling

1 生热率计算

1.1 正常行驶生热率

选取的锂电池标称电压14.8V，最大充电电压17.4V，容量288WHr，电池单体的尺寸为195.58×137.16×73.66（mm），电池模组由8个电池单体组成，电池模组的整体尺寸为700×320×76（mm）。

常用电池生热模型为Bernardi模型，在电池极化浓度差非常小而忽略混合热时，生热由不可逆内阻热和可逆熵变热组成，模型简化为式（1）。

为开路电压温度影响系数，常温取0.469mV/℃，数量级很小;SOCstart为初始的荷电状态取1;DR为电池的放电倍率取0.5C;I为电池的电流;T为电池的温度;R为电池的内阻;由式（2）可知荷电状态SOC是时间的函数，且电池的内阻是随着荷电状态的改变而改变的，将R与SOC的关系带入式（1）得生热量与时间的关系，再除以电池体积得生热率与时间的关系。如图1所示，生热率随时间有小范围的波动，计算得到平均生热率为3400W/m3。

1.2 附加生热率

强制对流冷却电池组时低温空气来自空调蒸发器，这会在正常行驶之外产生附加功率和生热率，且由于空调功率较大而导致附加生热率不可忽视。可先由电池模组的入口直径和风速计算空气流量，再由空气密度，比热容和温差计算空气被冷却功率，最后由空调效率和电池内芯总体积计算附加生热率。公式为式（3）

d为空气入口直径20mm;v为空气流速3m/s;ρ为空气密度1.165kg/m3;CP为空气比热容1005J/kg/k;T0为夏季外界空气为温度35℃;T为冷却空气温度取25℃;n为电池模组中电池单体个数为8;V电池内芯总体积;η为空调只冷却电池组的效率为55%;

由公式（3）计算可得附加生热率为1618W/m3占正常行驶时生热率的47.58%接1/2，若需要更好的电池冷却效果而降低空气温度至20℃则生热率为2432W/m3，这是十分不经济的。因此要合理选择冷却空气的温度以满足冷却要求即可，否则因使用空调蒸发器而产生的附加生热率可能会抵消其带来的冷却效果，没有作用的同时还会消耗功率降低电动车的续航里程。

2 电池单体自然冷却分析

2.1 模型简化

电池单体是由正级，负极，内芯和外壳组成，主要研究电池单体内部的温度分布情况，正负极远离电池的几何中心对温度的影响较小。且自然对流的情况下空气主要靠重力和浮升力的改变而流动，流速较小。位于电池顶部且体积较小的正负极对流动没有影响。因此在仿真分析中简化正负极，电池各部分如表1。

2.2 参数设置

对流换热系数受到空气的流速，空气和电池表面温差和表面形状等多种因数影响，往往难以准确的测量。通常空气自然对流换热系数为5-10w/m2/k，考虑到电池所处的环境温度较高而温差较小，选取对流换热系数为5w/m2/k。设置Ambient Temperature的值为35℃。电池单体的生热率虽有一定波动但幅度较小，故使用平均生热率3400w/m3。划分网格，单元质量为0.9278接近于1质量较好。

2.3 结果分析

观察图2电池单体温度云图可知，最高温度达到46.857℃且最大温差为3.458℃，最高温度远超过电池适合工作的温度范围严重影响电池的性能。且在爬坡和加速等需要更高放电倍率的情况下，电池的瞬时生热率和温度会更高从而极有可能发生危险。因此，虽消耗能量但使用来自空调蒸发器的冷却空气降低电池温度是十分必要的。

3 电池模组强制风冷分析

3.1 模型修改

强制对流冷却时空气的流动更加的剧烈而导致对流换热系数更加的难以准确测量。且由于各个电池单体距离空气进口处的距离不等导致冷却效果有所差别，不能直接将各个单体的散热效果等效。因此选择Fluent+Steady-State-Thermal对电池模组进行流固耦合仿真，对流换热系数由系统自动耦合求解。

3.2 参数设置

空气的流速设置为3m/s，温度为298.15k，出口为压力出口。总生热率为正常行驶时平均生热率叠加附加生热率为5018 w/m3。且为保证电池有良好的固定和散热，电池两侧面及支架的外侧面和模组外壳的内侧面均是接触的。划分网格，单元质量为0.8825接近于1质量较好。

3.3 结果分析

由图3的温度云图可知，最高温度下降到34.29℃，降幅达到12.585℃。最大温差由3.485℃下降至1.808℃，且这是整个电池模组的温差，对于电池单体来说温差会更小。靠近进风口处的电池单体温度较低冷却效果好，远离进风口处的电池单体温度较高冷却效果较差，但总体满足电池的适宜温度范围的要求。因此，使用来自空调蒸发器的冷却空气降低电池温度是十分有效的。

4 结论

使用空调强制风冷电池时会产生不可忽视的附加功率和生热率，需要谨慎选择空气温度。通过流固耦合分析得来自蒸发器得低温空气能够在夏季较高的环境温度下有效的降低电池组得温度，且需要在之后的研究中进一步的优化结构来改善由于离进风口的距离不同而导致电池单体冷却效果不一致的问题。

参考文献：

[1]吕水明.纯电动汽车电池组散热结构分析及温控电池箱研究[D].陕西：长安大学，2018.

[2]朱志贤.锂离子电池热效应分析及散热优化设计[D].北京：北京交通大学，2019.

[3]周阿群等.Hawk采集站锂离子电池的结构及原理分析[J].物探装备，2017，154-158.

[4]丁鹏等.电动汽车空调与电池热管理系统设计与验证[J].制冷与空调，2020，84-88.