摘 要：本文介绍了液冷动力电池热管理系统，然后运用COMSOL软件对液冷电池散热效果进行仿真分析，结果表明该系统7C进行充放电时满足使用要求，最后进行基于车辆工况散热效果测试，结果表明：该系统在能满足有轨电车运营要求。
关键词：有轨电车；动力电池；热管理
现代有轨电车以其清洁的动力系统、靓丽的外观、适宜的运量与速度越来越受到国内外中小城市的青睐[1]。但是，传统的接触网在非封闭式的营运环境中所带来的景观和安全问题也不容忽视[2],从而推动了无接触网技术的发展。随着对续航里程能力要求的提高，其动力电池在使用过程中的发热量明显攀升，需采取适当的冷却措施来保证电池组使用的高效安全和长寿面周期[3]。动力电池组常用的冷却方式有空气强制对流冷却和液冷。其中空气强制对流冷却结构简单，成本低，但换热系数低，冷却过程缓慢，对大容量的电池组效果不理想。本文首先介绍了液冷动力电池热管理系统，然后运用COMSOL软件对液冷电池散热效果进行仿真分析，最后进行基于车辆工况散热效果测试。结果表明：该系统在能满足有轨电车运营要求。
1动力电池热管理系统
某液冷动力电池热管理系统主要由电子水泵，低温换热器，风机，高压线束，低压线束，控制器，温度传感器，压力传感器等部件组成。如图1所示，包括制冷模式、制热模式、自循环模式、关机模式，机组能够根据电池在工作中反馈的参数在四种模式之间进行智能切换，使动力电池始终处于的最高温度低于55℃，温差小于5℃环境之中。
.png)
图1 动力电池热管理机组系统原理图 图2 动力电池液冷散热温度场分布
2动力电池仿真研究
在平均电流7C进行充放电的工况下，运用COMSOL软件对液冷电池箱的散热效果进行仿真分析。一维钛酸锂电池单体几何模型是用于研究锂离子电池对于给定的一组材料属性的充放电过程。模型中，负极为碳材料，正极为锂锰氧化物(LiMn2O4尖晶石)，如表1所示。三维钛酸锂电池模组几何模型用于研究电池组的温度与时间变化关系。动力电池液冷散热温度场分布如图2所示。环境温度为42℃时，液体流速不小于2L/min，散热模式冷却液不超过35℃时电池组表面温度及最高、平均、最低温升。最高温升高达47°C，平均温升45°C，最低温升42.5°C，最大温差4.5°C。满足动力电池散热需求。
表1 一维钛酸锂电池单体几何模型参数
.png)
3动力电池箱散热性能试验
以电池测试仪、热电偶辅助通道、电池管理系统、PC端上位机恒温箱组成动力电池箱散热性能对比试验平台，如图3所示。通过调节恒温箱温度，模拟最恶劣的环境温度；通过电池测试仪设置电池组充放电工步，并控制电池组以车辆实际工况进行充放电；通过精度较高的T型热电偶采集电池箱内电池表面各点温度，并上传至上位机；通过电池管理系统保证电池的均衡和安全。
在42℃环境温度下，液冷电池组以10C放电倍率进行放电试验，如图4所示，放电时间约360s，随着试验进行，电池内部产生剧烈的化学反应，放出大量热量，电池温度快速升高，其中电池组中心处热量聚集快、温升明显，电池组边缘处温升较慢；同时，热量快速向下传递至冷板，冷板中液体带走热量，抑制电池温升。由于热传递有滞后性，放电结束后一小段时间内温度继续升高，温度趋于稳定后，断开水泵开关，试验过程中电池表面温升较低、最高温度达到48.2℃；温度均匀性较好、最大温差达到3.6℃。由此可见，在极端环境温度42℃下，液冷电池箱内最高温度低于设计要求55℃、最大温差低于设计要求5℃，满足设计要求。
.png)
图3 动力电池箱散热性能试验拓扑 图4 液冷电池箱环境40℃10C放电
4结论
采用液体冷却散热技术，并且根据冷却液的温度、电池的放电倍率，适当的调节冷却液的流量或者冷却液的入口温度时，电池组的最高温度以及单体电池之间的温度一致性都会得到有效的改善，满足有轨电车运营要求。
参考文献
[1] 张海军，马永红.现代有轨电车无接触网供电方案比较分析[J].现代交通技术,2013.4（10）:79-82
[2] 蔡波，李鲲鹏. 现代有轨电车无接触网牵引供电方式研究[J]. 城市轨道交通研究, 2015.1：72-77
[3] 王峰，李茂得。电池热效应分析[J]. 电源技术，2010.03:21-22