电动汽车锂电池组新型复合散热方式研究

摘 要：针对电动汽车对电池组最高温度和最大温差的要求，制备了复合散热要求的相变材料，对现有的梯形电池组形式进行了改进，设计了新型的电池组复合散热方式，利用仿真软件对所设计的散热方式进行了仿真模拟，验证了其可行性。

关键词：电池热管理；复合相变材料；温度；电动汽车

目前，能源危机与环境破坏等问题加速了电动汽车的发展。电动汽车中锂离子电池在持续的充放电过程中会产生的大量热量，温度分布不均匀，造成电池性能下降，严重时会降低电池的使用寿命。因此，降低电池组的温度以及控制其内部温差就是提升电池组性能、增强其安全性的关键。

现有的动力电池热管理系统主要有液体冷却、气体冷却、相变材料冷却三种。而这些单一的散热方法难以满足动力电池组的散热要求，易导致电池组性能下降。

所以，本文设计了新型的梯形电池箱体，以相变材料散热为基础，采取了创新性的相变材料-热管翅片-强迫空气对流复合散热方案对动力电池组散热，将相变材料填充于电池单体之间，利用热管和翅片导出相变材料吸收的热量，并强迫空气对流散热。

1 散热方案设计

1.1 相变材料的原理及制备

相变材料（PCM）是一种能够吸收和释放相变潜热的材料，近年来在国外出现的采用相变材料冷却的电池热管理系统展现出良好前景，值得引起国内业界高度重视[1]。

石蜡是市面上常用的相变材料，它由于具有相变温度接近电池的最佳工作温度，单位质量相变潜热高，成本低廉等特点，已经被广泛应用。但它的缺点是具有较低的热导率，不利于对电池进行散热。通过瞬态平面法测得石蜡的热导率为0.1567W・m-1・K-1，而通过激光导热法测得的复合相变材料的导热率为3.953 W・m-1・K-1。所以，本文拟在石蜡中加入适当比例的石墨，以弥补单一石蜡热导率低的问题。

利用Maxwell-Eucken模型[2]估算不同膨胀石墨质量分数下的石蜡/膨胀石墨复合相变材料的导热系数，其有效的导热系数可通过式（1）计算得到。

计算结果如表1。

为验证理论计算的正确性，做了如下实验验证。

相变材料的工作过程如下：相变材料自身发生相变时，吸收电池充放电时释放的热量，从而降低电池温度，减小各部分间的温差。根据这个过程，我们计算冷却特定工作状况下的电池所需要的相变材料的质量可采用计算公式（2）得到：

利用上式，可以计算出使一个电池保持在合适且稳定工作温度范围下所需要的相变材料的质量。假定电池最佳工作温度为40℃-50℃，从文献[3]中查取、、的值，并计算得出所需相变材料985.4g。在保证石蜡总质量不变前提下，改变石墨质量，并研究石蜡/石墨复合相变材料的组成对电池散热性能影响，为此配制了3种石蜡/石墨复合相变材料，其组成和主要热物理性质见表2。

由上表可以看出，理论与实际值基本一致。本文选用石蜡和石墨质量比为4：1的第2组数据为研究方案。

1.2 电池组散热单元的设计

对于柱状电池组，空气流场的分布会直接影响温度场的分布。因此，合理设计电池模块的排列方式，进、出风口，选择合理的箱体形状，获取合理的流场分布，是电池组设计的主要内容[4]。市面上大多数电池的排列方式为平行排列和交错排列，但是由于冷却风流经上游电池模块后， 自身温度上升，导致冷却下游电池的能力下降，整个电池箱内的整体温度分布不均。因此，在交错排列的基础上提出的梯形排列，采用这种梯形结构，可使沿气流方向的冷却风温度上升的同时，冷却风的风速逐渐增大，对流换热系数增大，使上下游空气冷却效果基本平衡，最终电池组内部各区域的温度能基本控制在比较均匀的水平上。

根据梯形排列方式，选用某品牌18650钴酸锂电池为研究对象进行建模，经过简化后设计出26个单体电池所组成的电池组。单体电池尺寸为Φ18mm×65mm，26个电池呈梯形排列，电池均匀排列且间距为35mm，本文建立的电池箱体梯形排布如图3所示。

接下来，对电池箱整体进行设计。考虑到复合散热的需要，利用Solidworks软件对箱体进行仿真建模，设计出如图4所示的箱体。

2 效果分析

根据所设计的散热方式和电池组箱体结构，利用Fluent进行仿真模拟，对比自然散热和新型散热方式散热效果，结果如表3

通过表3可以看出，所设计的新型散热方式将最高温度降低了31%，最大温差降低了55%，电池组性能得到了显著提高。

3 结论

1）创新性的提出了相变材料-热管翅片-强迫空气对流的复合散热方式，设计了新型的梯形电池箱体散热结构，利用渐缩喷管的原理保证了下游电池了均衡散热。

2）选取并制备了适用于电池箱散热的相变材料。

3）利用Fluent仿真验证了新型散热方案的可行性。

参考文献

[1]张国庆， 饶中浩， 吴忠杰，等. 采用相变材料冷却的动力电池组的散热性能[J]. 化工进展， 2009， 28（1）：23-26.

[2] XIA L， ZHANG P， WANG R Z. Preparation and thermal characterization of expanded graphite/paraffin composite phase change material[J]. Carbon， 2010， 48： 2538-2548.

[3] Eastman J A，Choi S U S，Li S，Yu W，el al. Anomalously increased effective thermal conductivities of ethylene glycol-based nanofluids containing copper nanoparticles[J]. Appl.Phys.Lett.2001，78：718-720.

[4]眭艳辉. 混合动力车用镍氢电池组散热结构研究[D]. 上海交通大学， 2009.

作者简介

兰博（1994-），男，本科，西南交通大学机械工程学院。