以某三元軟包鋰電池組成的實車電池組作為研究對象，采用一種基于口琴管的液冷方案，用軟件模擬研究冷卻電池組的溫度分布。得出結(jié)論：基于口琴管的動力電池組的液冷方案，在電池1C倍率放電結(jié)束后，測點最高溫度為43.2℃，單體電池之間的最大溫差為0.9℃，可以同時滿足電池所需的降溫和均溫要求。通過實驗對數(shù)值模擬進行驗證，此方案能滿足動力電池在正常溫度范圍內(nèi)工作。

本文針對某商用三元鋰電池所組成的電池組，采用了以液體為介質(zhì)的電池液冷系統(tǒng)，研究了在冷卻電池組時的溫度分布，為電池液冷系統(tǒng)提供一種可能的優(yōu)化方法。

1、動力電池組液冷散熱仿真分析

1.1、方案簡介

本文針對基于口琴管的液冷方案進行了數(shù)值仿真研究?？谇俟懿贾迷趧恿﹄姵亟M上下兩側(cè)，中間填充導(dǎo)熱硅膠來降低接觸熱阻。電池產(chǎn)生的熱量通過鋁板以及導(dǎo)熱硅膠傳遞至口琴管，進而由口琴管內(nèi)部低溫液體將熱量帶走，低溫液體通過口琴管端部的匯流箱源源不斷地流入、流出口琴管，達到冷卻動力電池的效果。上、下口琴管采用逆流的方式，讓電池組的溫度更加均勻。

1.2、物理模型

如圖1所示，基于口琴管的電池組液冷系統(tǒng)三維幾何熱模型由動力電池、鋁板、隔熱墊、導(dǎo)熱硅膠、口琴管、匯流箱組成，其中動力電池的尺寸為213×168×14．5mm，口琴管尺寸為350×45×4mm，內(nèi)部存在均勻分布的10個3．95×3mm的流道，如圖2所示。

1.3、邊界條件

邊界條件:電池組設(shè)置為1C倍率放電，電池容量112．5Ah，放電電流112．5A;固體域初始溫度設(shè)置為36℃，環(huán)境溫度設(shè)置并一直維持在36℃;低溫液體采用50%的乙二醇溶液，流體域初始溫度設(shè)置為25℃，進口流量5L/min，出口設(shè)置為壓力邊界，出口壓力設(shè)置為0Pa，激活抑制回流選項，電池組表面設(shè)置為自然對流，對流換熱系數(shù)為3．95W/(m2·K)。

1.4、材料屬性

本文各物質(zhì)的材料屬性如表1所示。

2、數(shù)值仿真結(jié)果與分析

冷卻工況:選取每個單體電池左、右兩面作為研究對象，繪制共8個面在1800s、3600s的溫度分布圖，如圖3所示。

從圖3中分析發(fā)現(xiàn)，在放電過程中，電池表面溫度逐漸增大，在放電結(jié)束后達到最高溫度為43.2℃，相較于初始溫度36℃僅升高了7.2℃，說明口琴管液冷系統(tǒng)可以降低電池組溫度。同時發(fā)現(xiàn)電池組最高溫度主要集中于電池上側(cè)兩邊，這主要是因為電池組上側(cè)僅布置兩排口琴管液冷板，電池兩邊的熱量不能及時傳遞出去，導(dǎo)致溫度較高。上側(cè)僅布置兩排液冷板主要是因為布置4排液冷板會與電池組其他功能部件干涉。為了對比各單體電池之間的溫差，對各單體電池編號，同時在各電池表面取對應(yīng)位置點，電池編號及取點位置如圖4所示。

靠近上下兩側(cè);1號、2號、3號點為4號、5號、6號點對應(yīng)平移并靠近側(cè)面。在放電結(jié)束后，繪制各點溫度，如圖5所示。

圖5放電結(jié)束后各電池表面6點溫度分布圖從圖5中分析可知，各電池表面1號點至6號點的最大溫差分別為0．8℃、0．9℃、0．7℃、0．5℃、0．6℃、0．4℃，均＜2℃，滿足電池組均溫性要求。

同時比較各電池表面所對應(yīng)的1號點，發(fā)現(xiàn)c號電池右側(cè)與d號電池左側(cè)溫度基本一致，并且為各電池表面最大，電池組最外的兩個電池表面溫度最低，比較其他各點，規(guī)律基本一致，為接下來口琴管液冷系統(tǒng)實驗中熱電偶的布置提供一些參考。

3、實驗驗證

3.1、實驗系統(tǒng)及裝置

基于口琴管的動力電池組液冷的實驗裝置系統(tǒng)如圖6所示，包括實驗本體、充放電控制系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、高低溫液體控制系統(tǒng)。其中，實驗本體為動力電池、鋁板、隔熱墊、口琴管液冷板、匯流箱、固定裝置組成，如圖7所示。

動力電池兩兩并聯(lián)，之后串聯(lián)在一起，每塊電池表面布置鋁板，每兩塊電池之間布置隔熱墊。動力電池組前后通過固定裝置進行緊固，動力電池組上下表面布置口琴管液冷板，通過導(dǎo)熱硅膠與動力電池進行接觸。

充放電控制系統(tǒng)包括蓄電池組綜合參數(shù)自動測試設(shè)備、通信轉(zhuǎn)換器、計算機。通過計算機來控制設(shè)備對動力電池進行充放電工作，同時計算機記錄充放電過程中相關(guān)的變化;環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要包括設(shè)備－快速溫變試驗箱，通過設(shè)備控制面板來對環(huán)境溫度進行調(diào)控;溫度采集系統(tǒng)主要包括多路溫度測試儀以及K型熱電偶，在動力電池組首尾兩塊電池的左右表面進行熱電偶布置，即a左、a右、d左、d右，布置位置與仿真時保持一致，同時在乙二醇溶液進入實驗本體之前布置K型熱電偶，確保流體進入溫度為所需溫度，通過數(shù)據(jù)傳輸裝置，在計算機中可以實時記錄溫度數(shù)據(jù);高低溫液體控制系統(tǒng)主要由高溫循環(huán)油浴鍋以及智能渦輪流量計組成，為實驗本體源源不斷地提供所需的高溫或低溫液體。

3.2、實驗步驟

1)將充滿電的動力電池組放置在快速溫變試驗箱中，環(huán)境溫度設(shè)置為36℃，靜置12h來進行環(huán)境溫度適應(yīng);

2)啟動多路溫度測試儀，并在計算機中開啟相關(guān)溫度軟件，實時監(jiān)測并記錄動力電池表面的溫度數(shù)據(jù);

3)開啟高溫循環(huán)油浴鍋以及智能渦輪流量計，設(shè)置溫度為25℃，運行至液體能夠穩(wěn)定循環(huán)，控制各進口流量為5L/min;

4)電池組綜合參數(shù)自動測試設(shè)備以及計算機控制軟件，設(shè)置為1C恒流放電模式，開始進行放電測試，直到電壓降至截止電壓(5．3V)，記錄放電過程中相關(guān)數(shù)據(jù)，完成冷卻工況實驗研究。

3.3、實驗數(shù)據(jù)結(jié)果及分析

動力電池組放電結(jié)束后，各面上的最大溫度測量值如圖8所示。從圖中分析可知，最高溫度出現(xiàn)在d號電池左側(cè)面上，溫度為45．6℃;最低溫度出現(xiàn)在a號電池左側(cè)面上，溫度為44．2℃，單體電池之間的最大溫差為1．4℃，滿足動力電池正常工作的要求。

針對動力電池溫度最高的表面，即d號電池左側(cè)面，繪制d號電池左側(cè)面上各測點的溫度隨時間的變化量如圖9所示。從圖9分析可知，與仿真結(jié)果規(guī)律相同，2號測點溫度最高，這主要是因為2號測點靠近動力電池正極極耳，產(chǎn)熱量較大，導(dǎo)致溫度較高;6號測點溫度最低，是因為6號測點靠近動力電池組下方口琴管，熱量能夠較快地進行傳遞，降低溫度。每個測點的溫度同樣是在放電初期上升較快，繼而進入平緩期，在放電末期再次溫度上升較快。這是因為動力電池在剛開始放電的時候，動力電池與環(huán)境溫差較小，動力電池表面的散熱量也就比較小，動力電池升溫較快;隨著動力電池溫度的上升，散熱也隨之增大，導(dǎo)致動力電池溫度上升速率降低。

參考仿真結(jié)果，最低溫度和最高溫度分別出現(xiàn)在a號、d號電池上，故繪制a號、d號電池左右側(cè)面各測點的平均溫度隨時間的變化，如圖10所示。從圖中分析可知，在放電結(jié)束后，d號電池左側(cè)面平均溫度最高，為44．2℃，a號電池左側(cè)面平均溫度最低，為43．1℃，溫差為1．1℃，說明基于口琴管的動力電池組液冷系統(tǒng)滿足動力電池組均溫性要求。

4、結(jié)語

本文針對某商用三元鋰電池所組成的電池組，采用基于口琴管的液冷方案，研究了在冷卻電池組時的溫度分布。仿真和實驗結(jié)果表明：該液冷方案可以滿足電池組以及單體電池的降溫和均溫的需求，使動力電池在正常溫度范圍內(nèi)工作。