管深
江苏苏净工程建设有限公司，江苏 苏州 215000
摘要：在电动汽车中，应用较为广泛的电池类型为锂电池，但是该电池有一缺点，即最高温度限制为50度，当超过这一温度时就会产生较大的安全风险。为了对其进行研究，改善这一现状，笔者通过建立有限元模型对其进行了分析，经研究表明，增加液冷管道数量会使电池温度降低，在热模拟中，矩形通道比圆形通道能更有效地降低电池的最高温度，但是增加通道的最大温差，增加通道长宽比会增加电池的温差，降低电池的平均温度性能。
关键词：锂离子电池组；液体冷却；冷板；热分布
1 锂电池的产热机理
锰酸锂电池的正负电极采用的材料并不相同，其中负极为石墨材料，正极为锰酸锂材料。当对电池进行充电时，电池的电极就会从正转到负极位置，而放电时则完全相反。
2 电池组模型建立与仿真实验
2.1 电池组几何模型
为简化模拟实验，本论文使用某公司研制的汽车用锰酸锂方形电池，将动力锂电池简化为120mm×66mm×18mm矩形均热体。
图1是简化的电池结构模型。电池组由5个单元组成，每个单元从1到5进行编号。铝热导体壁厚4mm，通道用铝冷板垂直连接隔断，厚度8mm。图1(a)所示为各冷板与单一环形冷却管。如图1(b)~(e)所示，各圆形通道直径为6.2mm，均采用冷板结构。图1(f)为矩形断面冷却管模型。对比研究了不同长径比的矩形断面渠道。每一条通道都有一个30毫米汞柱，其比例分别是1∶1和3∶1以及5∶1和7∶还有9∶1和20∶1。
四通道散热模型及圆形截面长度比为1：1的矩形通道散热模型，见图1。图2(b)所示四个圆形截面的热放电模型网格的数目210101048张，而图2(b)所示长度比为1：1的方形热放电模型车床的数目2106996张。
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2.2 材料参数与边界条件
电池在1C，3C和5C的热输出分别是9900、52000和113000W/m3。表1列出了电池、铝、水介质的热物性参数。
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在实验中，将环境温度统统设置为300K，将管道入口的流速控制在0.03m/s。假设电池组和环境之间为自然对流状态，则对流传热系数为5W/(m2·K)。
3 结果与讨论
在输入速度0.03m/s，液体输入温度300K时，模型(a)的模拟实验显示在图3中，图4显示了1C、3C和5C的温度场。可以看到电池的最高温度值随着电池放电速率的增大而增大。
3.1 不同数量流道对温度场的影响
如冷板有不同的环形通道,研究发现，在通道数为1时，1C、3C和5C的最高温度分别为301.94K、308.56K和311.99K；在有2条通道数时，1C、3C和5C分别为301.11K、306.02K和309.93K。在通道数为3-4时，1C、3C和5C的最高温度分别为300.86K，304.68K，308.72K；研究发现，增加流道数目有利于提高电池的散热能力，降低电池的最高温度。
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如果连续增加通道个数，由原来的一个增加到4个，由图5可知，在1C放电率的情况下，每条通道的最大温降分别为0.83K、0.28K和0.17K；每条通道在3C放电率下的最大温降为2.54K、1.34K和0.99K；每条通道在5C放电率下的最大温降为1.34K、0.99K和1.14K。研究发现，流道数目增加电池温度可以降低，但是效果有限。
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3.2 截面形式对温度场的影响
3.2.1 圆形截面与正方形截面对温度场的影响
电池组采用四圆通道、方形冷板结构，其最高温度、长度比为1∶1。1C、3C和5C时，若通道1'(87581)的长度比为1，则当1C、3C和5C放电时，其最高温度300.55K、303.17K和306.42K分别比圆形通道低0.10K，0.55K，0.83K。而电池间的温差分别为0.25K，1.44K，2.90K，比圆形通道高0.00K，0.02K，0.83K。放电速率越大，现象越明显。
3.2.2 不同长宽比例值矩形流道对温度场的影响
冷却锂电池组采用不同长度的矩形通道。在1C、3C和5C条件下电池组的最高温度是300.55K、303.17K和306.42K。如果矩形通道是1：1的长度比，在电池组1C、3C和5C放电速率下最高温度为300.42K、302.40K和305.15K时，矩形通道纵向比为20:1，比矩形通道纵向比降低0.13K、0.77K、1.27K，则矩形通道纵向比为1:1。研究发现，增加矩形通道长度比，有利于提高电池的散热能力，降低电池最高温度；
图6显示矩形通道长度比的变化对电池的影响很小，且曲线趋于水平；如果用3C和5C放电，如果用9:1来表示矩形通道长度比，则用0.13K、0.72K和1.22K来表示电池的最高温度。计算结果表明：矩形通道长度比值为9：1时增加通道长度比值对模型温度控制效果较差；
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图7显示不同长宽条件下矩形通道内电池最大温差。当长宽比由1变为3时，锂电池中的最大温差将减小，但当长宽比大于3时，长宽比迅速上升，然后趋于平缓。
在用矩形通道冷却时，适当增加矩形通道的长宽比，可有效地降低电池组的最高温度，但也可增大其最大温差，因此，有必要根据需要选择不同的长宽比矩形通道，以达到最佳工况。
在1C、3C和5C三种放电方式下，电池组最高温度分别下降了0.10K、0.55K和0.83K。对电池液冷系统而言，长度比为1：1的方管比圆形管更能有效地降低最高温度，但也增加了电池内部的温差。
增加矩形通道长度比可有效降低电池组最高温度，但增大比则会增加电池组的温差，降低其平均温度性能。所以合理选择矩形通道的长度比，才能更好地保证电池板进入相应的温度范围。
4 结论
试验分析结论如下：随着电池电量的增加，电池的发热值也随之迅速提高。要使电池组的工作温度得到较好的控制，必须采用多个5C速度的散热通道，但限制了只能通过增加通道数来控制电池组的最高温度。
参考文献：
[1]李瑚.电动汽车锂电池液冷PCM复合热管理研究[D].重庆:重庆交通大学,2019.
[2]谢永东,汤其明,何志刚,等.锂电池组液冷结构设计及散热影响因素分析[J].车用发动机,2020,(3):76-81,87.