电池热管理系统散热结构的设计和仿真

为了更加有效地控制电动汽车电池的工作温度，研究了一种铝板/相变材料/液冷电池 热管理系统散热结构，采用 CFD 软件模拟仿真。研究了铝板厚度、水管数量、质量流量、导热系数、相变温度和进水温度等因素对电池散热的影响。通过对电池温度场的模拟仿真，合理控制因素之间的相互影响，将参数取值进行优化，使电池的最高温度和最大温差能够控制在 44．19 ℃和 3．18℃，此温度能够很好地满足电池的工作温度，表明铝板/相变材料/液冷相结合的新型散热结构能够较好地控制电池的温度均匀性和有效性。

1 建立模型

1．1几何模型

电池的整体结构如图1 所示。铝板紧贴电池体，均匀插入圆形水管的相变材料贴在铝板之后，并且选用导热系 数高、密度小的铝来作为水管材料。可以看出，模型具有 对称性，为了缩短模拟仿真时间，本文仅仅仿真了模型的 1/4 部分。几何尺寸和物理参数参考了研究较为成熟的电池单体，如表 1 所示。为了研究滥用条件时电池的性能，电池以放电倍率5C 进行放电，因此仿真时间为720s， 并且根据现有学者研究成果，此放电倍率下的电池发热功率约为 200kW/m2。为了便于研究，本文设定冷却水是不 可压缩的层流，并且由于辐射换热部分的热量相对较小，因此不考虑辐射换热。由于相变材料的性质比较稳定，忽 略相变材料在融化和凝固时的各种变化。

2 结果分析

2．1 铝板厚度和水管数量的影响

1) 铝板厚度的影响 研究铝板厚度 dAl 的影响时，相变材料的导热系数 kPCM、冷却水的质量流量 q×103 kg/s、进水温度 TW 以及相变 温度 TPCM等参数设置如表2 所示。图2 为不同铝板厚度时电池的温度分布情况。铝板厚度增厚时，电池的最高温度 和最大温差都逐渐降低，并且最大温差可以控制在 2℃以 内。可以看出，加入铝板后的新型模型，有利于控制电池的温度有效性和均匀性，并且散热过程更加稳定。为了工艺 的简便和节约材料，选取0．4mm 铝板厚度为较优值。

2) 水管数量的影响 研究水管数量n 时，参数的选择见表3。图3 是n 个不 同时电池的温度分布情况。当 n 增加时，电池的最高温度 逐渐降低，最大温差却逐渐增大。当水管数量分别是2、 4、 6、 8 时，电池的最大温差同样能控制在 3℃以下。可以看 出，水管的加入，在不破坏电池温度均匀性的前提下，还能合理地控制电池的最高温度。为了得到理想的温度，同时 减少热管理系统的负载，选取4 根水管为较优值。

2．2 冷却水的质量流量和相变材料的导热系数的影响

表4是分析导热系数和质量流量对电池温度影响时的参数选择情况，电池的温度分布情况如图4 所示。同等变量 时，电池的最高温度随着导热系数的增大而降低，随着质量流量的增大而降低。当相变材料的导热增大时，热量的传递越 快，冷却水的冷却能力随质量流量的增大而增强。因此，为了 得到较为均匀的温度分布，应该合理地控制导热系数和质量流量。所以，导热系数和质量流量相互制约，当匹配最好时， 可以有效地降低电池的最大温差，并且考虑到制作高导热的 相变材料工艺复杂性和降低负载，导热系数选择 0．6 ( W/( m·K))，质量流量选择0．000 5( kg/s)为较为合理。

2．3 冷却水的进水温度和相变材料的相变 温度的影响

表 5 是分析冷却水的进水温度和相变材料相变温度的参数选择情况，电池的温度分布情况如图 5 所示。同等 变量时，当进水温度增大时，电池的最高温度增大。若相 变温度过高，相变材料不能充分地融化，也就不能得到较高的利用率。当进水温度过高时，不能实现快速冷却，不利于电池最大温差的控制。当相变温度为 40℃，进水温 度为 18℃时，电池的最高温度可以控制在 45℃以下，最 大温差在 3℃左右，都能很好地满足电池的最佳工作温 度，同时相变材料也能得到较为合理的利用

3 对比与验证

本文提出了铝板/相变材料/液冷的电池热管理系统， 为了验证此结构的优势，分析了在相同工况下，铝板/液冷和相变材料/液冷散热结构的温度分布。为了保证一致 性，3种结构的参数设置见表6。

图 6 是模拟常温环境、 5C 高倍率放电情况下，电池的 最高温度和最大温差的温度曲线。从曲线图可以看出，如 果只有铝/液体冷却相结合，由于铝的导热良好，使电池的 最高温度能够得到较好控制。但是由于导热太快，散热不 均匀，会影响电池的最大温差。当只有相变材料/液冷相结合的热管理时，相变材料由于其良好的潜热，使电池的 最大温差得到控制，但是由于相变材料的导热不好，电池 不能及时散热，使电池的最高温度不能得到较好控制。所以，铝板/相变材料/液冷散热结构在控制电池的最高温度 和最大温差方面都有良好的效果，控制最高温度为 44．19 ℃，最大温差为 3．18℃。

4 结语

结合铝材料良好的导热性、相变材料和液体冷却可以 产生均匀的温度分布，设计了一个铝板/相变材料/液冷相 结合的散热结构，并且讨论了不同影响因素对电池组的最 高温度、最大温差和 PCM 液体体积分数的影响。具体的 结论如下: 1) 散热结构中，加入铝板后，电池的最高温度和最大温差都随着铝板厚度的增加而降低，表明此结构能够控制 电池温度的有效性和均匀性。当水管数量增加时，电池的 最高温度慢慢降低，温差由于散热过快而升高，因此选取 4 根水管为较优值。2) 电池的温度会受到导热系数和质量流量的影响，随着质量流量的增加，最高温度不断降低。而为了同时控制最大 温差，需要使得导热和散热的速度同步，因此，最优的导热系 数和质量流量分别是0．6W/( m·K)和0．000 5 kg/s。3) 相变温度和进水温度对电池的温度分布也会产生一定的影响。当满足以上条件，相变温度为 40℃，进水温度为 18℃时，可以有效地控制电池的最高温度为44．19 ℃，最大温 差为3．18℃，此结果可以较好地满足电的工作温度，使得电 池发挥较优的性能。