劉霏霏，袁康，李駿，洪顯華，龔陽(yáng)

（華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，江西南昌 330013）

純電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)是人類的主流交通工具之一，動(dòng)力電池是其唯一的動(dòng)力源[1].而溫度是制約動(dòng)力電池性能的最關(guān)鍵因素之一，其中最高溫度和溫度一致性左右著電池壽命和續(xù)航里程[2].因此，動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯渴钱?dāng)下的主要熱點(diǎn)之一.鋰離子動(dòng)力電池理想的工作溫度范圍在25～40 ℃，且電芯單體之間溫差不宜超過(guò)5 ℃[3].在電池的充放電過(guò)程中，模組本身由于化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果熱量不及時(shí)散出而積累在電芯內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致模組內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫升及單體電芯的溫度一致性較差，并由此會(huì)引發(fā)一系列后果，輕則影響電池的循環(huán)次數(shù)，重則導(dǎo)致電池?zé)崾Э厣踔烈l(fā)火災(zāi)[4].Liu 等人[5]的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，選取一個(gè)鋰離子電池，并且使用NCM523 作為該電池的正極材料，在53 ℃的環(huán)境下做100 次循環(huán)后發(fā)現(xiàn)，該電池的壽命比之正常的減少了52.8%.Guo 等人[6]使用磷酸鐵鋰電池做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在30 ℃、50 ℃的環(huán)境下分別做50 次的循環(huán)，處于50 ℃條件下的電池壽命及容量衰減得更多.李龍飛[7]研究發(fā)現(xiàn)電池成組后以同倍率放電，2C 時(shí)最高溫度比單體放電時(shí)高22.68 ℃；電芯溫差也達(dá)到了9.82 ℃，遠(yuǎn)高于單體放電時(shí)的4.98 ℃.Yuksel 等人[8]研究了磷酸鐵鋰電池的溫度環(huán)境對(duì)壽命及容量的影響發(fā)現(xiàn)，采用強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行冷卻散熱后，電池的壽命能提升6%左右.

根據(jù)介質(zhì)的不同電池?zé)峁芾砜蓞^(qū)分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻等[9].但隨著電池功率性能的要求，單純的空氣冷卻已經(jīng)滿足不了高倍率充放電電池系統(tǒng)的散熱要求，盡管相變冷卻性能良好，但其頗高的成本限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用[10].因此，對(duì)于高充放電率、高產(chǎn)熱率的電池組而言，液體冷卻具有明顯的優(yōu)勢(shì).邱煥堯[11]設(shè)計(jì)了一種W 形冷卻管道，布置在18 650 圓形電池的周?chē)?，模組以2C 倍率放電，最高溫度控制在38 ℃，溫差控制在5 ℃之下；許時(shí)杰[12]設(shè)置了一種蛇形液冷管道，布置于方形電池模組的底部位置，模組以2C 倍率放電，溫度最高為39.2 ℃，溫差為4.26 ℃；

電池液冷散熱研究主要是通過(guò)改變電池的排布結(jié)構(gòu)以及液冷管道的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)散熱優(yōu)化等，然而對(duì)于電池成組后引發(fā)的熱交互對(duì)液冷散熱影響的研究尚較缺乏.針對(duì)電池成組后的熱不一致性及熱安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新的電池散熱結(jié)構(gòu)，即在電池單體之間夾隔泡沫棉，隔絕單體之間的熱交互，同時(shí)當(dāng)電池在行駛路況時(shí)起到一定的減震保護(hù)作用，并且在模組底部加入導(dǎo)熱墊和液冷板，加快散熱速度.在單體電芯的內(nèi)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)及電芯放電溫升實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上準(zhǔn)確建立了電池的熱仿真模型，并進(jìn)行模組遞進(jìn)式散熱設(shè)計(jì)：方案一采用自然散熱、方案二采用在電池單體之間夾隔泡沫棉，方案三采用液冷系統(tǒng)散熱并且對(duì)液冷散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).應(yīng)用STAR-CCM+軟件，對(duì)電池模組在不同放電倍率下的溫度場(chǎng)進(jìn)行熱仿真分析，對(duì)比電池的散熱效率，得出電池模組的最優(yōu)散熱方案.

1 數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 鋰離子電池產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池產(chǎn)生的熱量包括反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱[13].由于過(guò)充和過(guò)放、電解質(zhì)分解及自放電產(chǎn)生的副反應(yīng)熱幾乎為零，故只考慮反應(yīng)熱Qr、焦耳熱Qj、和極化熱Qp.

在進(jìn)行充放電時(shí)，鋰離子和電子發(fā)生嵌入和脫嵌，兩者遵循電荷守恒定律.運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量Q 可由下式得出：

式中：T 為電池溫度，K；E 為電池電動(dòng)勢(shì)，V；I 是充放電電流，A；Rj+Rp為電池總內(nèi)阻，mΩ.

1.2 電芯熱物性參數(shù)獲取

1.2.1 電芯導(dǎo)熱系數(shù)

鋰離子動(dòng)力電池的內(nèi)部組成材料多種多樣，每種材料的導(dǎo)熱系數(shù)都不盡相同，并且其內(nèi)部材料的排布排列形式也有所差異.因此鋰離子電池的導(dǎo)熱系數(shù)在各個(gè)方向是不同的，即具有各向異性.本文采用串并聯(lián)熱阻的方式計(jì)算電池的導(dǎo)熱系數(shù)，假設(shè)電池的厚度方向?yàn)閆 方向，寬度方向?yàn)閄 方向，高度方向?yàn)閅 方向[14].

電池在Z 方向上的導(dǎo)熱值由下式可得：

式中：Kz為電池在Z 方向的導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）；Lz為電池在Z 方向上的數(shù)值大小（m）；Lz1，Lz2，Lz3，Lz4，Lz5，分別為電池正極、電池正極集流板、隔膜、電池負(fù)極、電池負(fù)極集流板在Z 方向上的數(shù)值大?。╩）.

電池在X、Y 方向上的導(dǎo)熱系數(shù)可由下式計(jì)算得出：

式中：Kx，Ky分別為電池在X 方向以及Y 方向上的導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）.

1.2.2 電芯密度

電芯密度采用平均密度概念，可由下式計(jì)算得出：

式中：Mc，Mp，Mn，Ms分別表示電池、電池正極、電池負(fù)極、電池外包裝的質(zhì)量（kg）；Vc，Vp，Vn，Vs分別代表電池、電池正極、電池負(fù)極、電池外殼體積（m3）.

1.2.3 電芯比熱容計(jì)算

采用加權(quán)法計(jì)算鋰離子電池的比熱容，計(jì)算公式如下：

式中：ρ、ρi分別為電池的平均密度、各種材料的密度（kg·m-3）；c、ci表示電池的平均熱容及材料的平均熱容（J·kg-1·K-1）；Vi為各種材料的體積（m3）.

根據(jù)理論計(jì)算獲得的鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)：密度ρ 為2 588 kg·m-3，比熱容c 為940 J·kg-1·K-1，熱導(dǎo)率λx=λy=22.302 W·m-1·K-1，λz=1.439 6 W·m-1·K-1.

1.3 鋰電池單體生熱速率模型及熱邊界條件建立

1.3.1 電池生熱速率模型

根據(jù)Bernardi 提出的電池生熱速率模型，假設(shè)電池內(nèi)部熱源均勻且穩(wěn)定.

1.3.2 熱邊界條件

1）電池表面與空氣之間的對(duì)流邊界

根據(jù)牛頓冷卻定律，鋰離子電池表面與空氣之間由于溫差而進(jìn)行對(duì)流換熱，邊界條件用下式來(lái)描述：

式中：φ 為熱流密度（J·m-2·s-1）；h 為對(duì)流換熱系數(shù)（W·m-2·K-1）；Ta為環(huán)境溫度（K）.

2）電池與液冷板之間的換熱邊界

液冷板內(nèi)部采用水作為散熱介質(zhì)時(shí)，電池與液冷板殼體之間存在導(dǎo)熱，而液冷板與冷卻水之間存在對(duì)流換熱.其中水的能量守恒方程如下[15]：

式中：ρ、c、ν、T、k 分別代表液態(tài)水的密度（kg·m-3）、比熱容（J·kg-1·K-1）、速度矢量（m·s-1）、溫度（K）、和導(dǎo)熱系數(shù)（W·m-1·K-1）.

液態(tài)水的運(yùn)動(dòng)由質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量守恒方程控制：

式（9）-（10）中：P 代表壓強(qiáng)（Pa）；μ 為動(dòng)力粘度（Pa·s）.

1.4 流場(chǎng)與溫度場(chǎng)協(xié)同原理介紹

在對(duì)流換熱的過(guò)程中，其換熱能力的體現(xiàn)受熱流場(chǎng)特性的影響，文獻(xiàn)[16]從流場(chǎng)與溫度場(chǎng)配合的角度提出對(duì)流換熱強(qiáng)化的場(chǎng)協(xié)同理論.換熱性能不僅由流體速度決定，還取決于流體速度與流體熱場(chǎng)之間的協(xié)同數(shù).協(xié)同度可以由下式表示.

式中：T 代表溫度，K；U 代表速度，m·s-1；β 代表的是溫度T 與速度U 之間的夾角.

當(dāng)U、T 以及cos β 互相協(xié)同配合時(shí)，才能使得Fc增大，提高換熱性能.

2 電池內(nèi)阻的測(cè)定及溫升實(shí)驗(yàn)

本文選用的電芯為某三元鋰電池.如圖1 所示.其參數(shù)為：電池厚度12 mm，寬度85 mm，長(zhǎng)度為310 mm（不包括極耳），極耳長(zhǎng)度25 mm，寬度50 mm，厚度6 mm，標(biāo)準(zhǔn)電壓3.7 V，標(biāo)準(zhǔn)容量43 Ah.

2.1 電池內(nèi)阻測(cè)試

測(cè)試原理：給某一荷電狀態(tài)的電池加載一個(gè)脈沖功率，電池的電壓會(huì)立刻產(chǎn)生一個(gè)階躍的變化，根據(jù)歐姆定律通過(guò)加載的電流與階躍電壓的變化量可以計(jì)算出某一荷電狀態(tài)下電池的直流內(nèi)阻.一個(gè)HPPC 測(cè)試中小的循環(huán)基本是由60 s 構(gòu)成的，10 s 脈沖放電，40 s 靜止，10 s 脈沖充電[17].

實(shí)驗(yàn)器材：電芯，如圖1 所示；FT8309 型HEF動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)（杭州產(chǎn)，0-250 A，電流精度達(dá)到0.1%RD±0.1%FS）；W 型泰斯特高低溫試驗(yàn)箱（溫州產(chǎn)，可測(cè)溫度為-40～150 ℃，溫度誤差范圍±0.2 ℃）；普瑞電子有限公司生產(chǎn)的TP720 型數(shù)據(jù)采集器.

圖1 實(shí)驗(yàn)所用電芯Fig.1 Cells used in the experiment

實(shí)驗(yàn)步驟：

1）將電池恒流恒壓充電至100%，并冷卻至與室溫一致.

2）將電池放于溫度為25 ℃的恒溫箱內(nèi)做一次HPPC 實(shí)驗(yàn)，對(duì)電池進(jìn)行1C 電流放電10 s，靜止40 s，然后以0.75C 充電10 s，并記錄脈沖的電流與電壓變化量.

3）通過(guò)恒流放電12 min 的方法將電池SOC 分別調(diào)至0.8、0.6、0.4、0.2、0，然后再在各SOC 下進(jìn)行HPPC 實(shí)驗(yàn)，測(cè)試并記錄好數(shù)據(jù).整理得出在25 ℃自然條件下，內(nèi)阻R 隨SOC 變化，如圖2 所示.

圖2 內(nèi)阻隨SOC 變化圖Fig.2 Internal resistance varying with SOC

2.2 單體電芯溫升實(shí)驗(yàn)

使用上述所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及單體電芯在25℃的環(huán)境溫度下，進(jìn)行電池的放電實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)電池進(jìn)行1C、2C 倍率進(jìn)行放電，當(dāng)達(dá)到放電截止電壓時(shí)，放電結(jié)束，記錄并保存電芯在此條件下的溫升數(shù)據(jù).圖3 為鋰離子單體電池在25℃的環(huán)境溫度下1C、2C倍率放電完結(jié)時(shí)測(cè)點(diǎn)1（電芯靠近正極處末端）、2（大面中間）、3（電芯靠近負(fù)極處末端）數(shù)據(jù)整理所得實(shí)驗(yàn)溫升圖.

圖3 不同放電倍率下電池的實(shí)驗(yàn)溫升圖Fig.3 Experimental temperature rise at different discharge rates

3 電池建模仿真及驗(yàn)證

圖4 為鋰離子單體電池在25 ℃的環(huán)境溫度下2C 倍率放電結(jié)束時(shí)的仿真溫升圖.圖5 為在1C 和2C 放電倍率條件下，電池溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比圖.

圖4 電池單體2C 倍率放電時(shí)的溫度云圖Fig.4 Temperature distribution of battery cell at 2C discharge rate

根據(jù)圖5，電池在以1C 放電時(shí)，放電時(shí)間1 000 s之前的溫升速率很快，在溫度接近30 ℃后開(kāi)始趨于平緩，待熱量慢慢的堆積，在放電接近末尾的時(shí)候，溫升速率呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，直至放電結(jié)束溫度上升到了34.9 ℃；2C 放電時(shí)，因?yàn)殡娏髟黾恿艘槐?，根?jù)圖5 溫升圖趨勢(shì)就可以看出溫升速率非?？欤椒烹娊Y(jié)束時(shí)，最高溫度達(dá)到了47.4 ℃.基于圖3 和圖5，仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合度較好，誤差在5%以內(nèi)，因此本文建立的電池仿真模型準(zhǔn)確，可用于后續(xù)仿真分析.

圖5 實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比Fig.5 Comparison of experiment and simulation

4 電池模組的建立及仿真分析

4.1 方案一自然散熱模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

方案一采用10 個(gè)電池單體并聯(lián)組成1 個(gè)模組，編號(hào)從1 至10.如圖6 所示.圖7 為方案一模組在自然對(duì)流條件下2C 倍率放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖.圖8 為方案一模組中電池單體在2C 放電結(jié)束時(shí)的最高溫度、最低溫度和溫差數(shù)據(jù)圖.

圖6 方案一電池模組三維模型圖Fig.6 Three-dimensional model of Scheme 1

由圖7 和圖8 可知，當(dāng)模組2C 放電時(shí)，整個(gè)模組內(nèi)部的溫度明顯高于外壁面與極耳部分.這是由于在對(duì)流的條件下，外壁面和極耳部分能充分的對(duì)流散熱，而模組內(nèi)部由于空氣流通的限制，產(chǎn)生的熱量很難通過(guò)對(duì)流換熱傳出，并且電池單體之間產(chǎn)生熱交互的作用，隨著熱量積累導(dǎo)致溫度升高.2C 放電時(shí)最高溫度達(dá)到了56.48 ℃，已經(jīng)超過(guò)了電池最合適的溫度范圍；且模組以2C 倍率放電時(shí)，單體電池的溫差較大，達(dá)到了7 ℃以上，此時(shí)的單體電池溫度一致性較差.若電池長(zhǎng)期處于此溫度環(huán)境中，則會(huì)損傷電池的使用壽命，并且還會(huì)帶來(lái)一定的安全隱患.故鋰離子電池單體不能直接大量成組使用，必須設(shè)計(jì)合理的散熱方案.

圖7 方案一模組2C 放電時(shí)的溫度云圖Fig.7 Temperature distribution of battery module of Scheme 1 at 2C discharge rate

圖8 方案一模組2C 放電時(shí)的溫度數(shù)據(jù)圖Fig.8 Temperature data of battery module of Scheme 1 at 2C discharge rate

4.2 方案二單體電池夾隔泡沫棉的模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

基于方案一可知電池成組時(shí)高溫區(qū)域主要集中在內(nèi)部，一部分原因是由于電池放電時(shí)產(chǎn)熱過(guò)多沒(méi)能及時(shí)的散出，另一部分原因在于電池與電池單體之間緊密接觸，它們之間發(fā)生的熱交互作用，因此溫度聚集在內(nèi)部區(qū)域.為此進(jìn)行模組散熱設(shè)計(jì)的改進(jìn).如圖9 所示，方案二所使用的是在電芯單體之間夾隔泡沫棉，由于泡沫棉的導(dǎo)熱系數(shù)很低，這樣可以阻止電芯單體之間的熱傳遞，防止熱量堆積在一起.

圖9 方案二電池模組三維模型圖Fig.9 Three-dimensional model of Scheme 2

泡沫棉熱物性相關(guān)參數(shù)：比熱容C 為2380 J·kg-1·K-1；密度ρ 為320 kg·m-3；導(dǎo)熱率λ 為0.023 W·k-1·m-1；

圖10 為方案二模組在2C 放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖.圖11 為方案二模組中電池單體在2C 放電結(jié)束時(shí)的最高溫度、最低溫度和溫差數(shù)據(jù)圖.

圖10 方案二模組在2C 放電時(shí)的溫度云圖Fig.10 Temperature distribution of battery module of Scheme 2 at 2C discharge rate

由圖10 和圖11 可知，電池單體之間夾隔泡沫棉之后，由于泡沫棉的低導(dǎo)熱性，使得電池的熱量沿平行于泡沫棉方向傳導(dǎo)，從而達(dá)到熱均衡性，模組最大溫差為5.32 ℃.由于單體成組放電，電池產(chǎn)熱量大，單純的自然冷卻以及采取熱源之間相互隔離的方法顯然還是不能將溫度控制在合適范圍內(nèi)，仍然處于50 ℃以上的高溫條件.

圖11 方案二模組2C 放電時(shí)的溫度數(shù)據(jù)圖Fig.11 Temperature data of battery module of Scheme 2 at 2C discharge rate

4.3 方案三采用液冷系統(tǒng)的模組設(shè)計(jì)及熱仿真分析

針對(duì)方案二中模組在放電情況下溫度仍然較高的問(wèn)題，本方案采用液冷系統(tǒng)給電池模組進(jìn)行強(qiáng)制散熱，液冷板流道結(jié)構(gòu)及電池模組如圖12 所示，電池模組下面墊有導(dǎo)熱墊，在導(dǎo)熱墊下面裝有液冷板，液冷板采用鋁制，流量進(jìn)口采用質(zhì)量流量，設(shè)置為2 L/min.

圖12 電池模組及液冷板三維模型圖Fig.12 Three dimensional model of battery module and liquid cooling plate

上述元件的材料熱物性如下：鋁板：密度ρ 為2710 kg·m-3；導(dǎo)熱系數(shù) 為159W·m-1·K-1；比熱容C 為900 J·kg-1·K-1；導(dǎo)熱墊：密度ρ 為2500 kg·m-3；導(dǎo)熱系數(shù) 為1.5 W·m-1·K-1；比熱容C 為903 J·kg-1·K-1；

圖13 為方案三模組在2C 放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖、流道壓力分布圖以及速度矢量圖.根據(jù)圖13（a）可知，采用了液冷系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制散熱后，模組高溫問(wèn)題得到明顯的改善.2C 倍率放電時(shí)最高溫度為38.39 ℃，整個(gè)模組的高低溫區(qū)域較為明顯.單體電池的溫差較大，這是因?yàn)榱鞯纼?nèi)冷卻液的分配不均勻所導(dǎo)致的.從壓力分布圖13（b）也可以看出，右邊的壓力整體都是高于左邊的，壓降為192 Pa.速度矢量圖13（c）中的速度分布也是右邊更加的均勻，左邊的流量分配得很少，導(dǎo)致散熱協(xié)同效果差.從而造成了模組的溫度場(chǎng)差異化較明顯，右邊溫度低左邊溫度高的現(xiàn)象.需要優(yōu)化液冷板的流道結(jié)構(gòu)來(lái)改變模組溫度分布不均勻，單體電池溫差較大這一現(xiàn)象.

圖13 模組2C 放電溫度、壓力、速度分布云圖Fig.13 Contours of temperature，pressure and velocity distribution at 2C discharge of module

針對(duì)模組溫度場(chǎng)高低溫區(qū)域化明顯、單體電池溫差較大現(xiàn)象，對(duì)液冷板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，液冷板結(jié)構(gòu)示意如圖14 所示.流道的數(shù)量減少，流量可以分配更加均勻.圖15 是方案三液冷板優(yōu)化后模組在2C 放電結(jié)束時(shí)溫度、壓力以及速度云圖.

圖14 方案三液冷板優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.14 Optimal structure of liquid cooling plate of Scheme 3

圖15 方案三液冷板優(yōu)化后模組在2C 放電時(shí)的溫度、壓力、速度云圖Fig.15 Contours of temperature，pressure and velocity of the module with optimized liquid cooling plate of Scheme 3 at 2C discharge

對(duì)比圖13 和圖15 可知：在對(duì)液冷板進(jìn)行優(yōu)化之后，可以看到模組兩側(cè)的溫度一致性得到了改善，且最高溫度下降了2.6 ℃.但是管內(nèi)的壓降增加了823 Pa 達(dá)到1 000 Pa 以上，這對(duì)水泵以及管道的要求都比較高.從速度矢量圖中可以看到，流速以及流量的分配也得到了較大改善，但是還是有不足之處.

為此，本文對(duì)液冷管道結(jié)構(gòu)再做優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖為圖16，流道結(jié)構(gòu)采取2 并3 串的串-并聯(lián)相結(jié)合的形式，能使流量在管道內(nèi)分配得更加均勻，散熱協(xié)同效果更優(yōu)，相反管道內(nèi)的各處壓力還能下降.仿真結(jié)束后云圖如圖17 所示.

圖16 串-并聯(lián)結(jié)合的液冷板結(jié)構(gòu)Fig.16 Cooling plate structure with series and parallel connection

圖17 串-并聯(lián)液冷板結(jié)構(gòu)下模組在2C 放電時(shí)的溫度、壓力、速度云圖Fig.17 Contours of temperature，pressure and velocity of the module with the structure of series and parallel liquid cooling plate at 2C discharge

圖17 為方案三液冷板再優(yōu)化后模組中各單體在2C 放電結(jié)束時(shí)的溫度云圖、壓力云圖以及速度矢量云圖.圖18 為單體電池最高溫、最低溫以及溫差圖.結(jié)合圖17 和18 可知，模組的最高溫度以及溫度一致性都很好，流道內(nèi)的流量分配度較高，冷卻液最高流速達(dá)到了0.88 m/s，換熱效率更快，整體的壓降也僅為185 Pa.模組以2.0 C 倍率放電結(jié)束時(shí)，模組最高溫度35.08 ℃，并且最大溫差為4.85 ℃.采用液冷板流道結(jié)構(gòu)為串、并相結(jié)合的液冷系統(tǒng)作為熱管理方案，可使鋰離子電池工作時(shí)溫度處于合理的范圍，且溫度一致性較好.

圖18 串-并聯(lián)液冷板結(jié)構(gòu)下模組中各單體在2C 放電時(shí)的溫差圖Fig.18 Temperature difference diagram of each cell in the module with the structure of series and parallel liquid cooling plate at 2C discharge

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)單體電池實(shí)驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式驗(yàn)證了模型建立的準(zhǔn)確性.并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了電池單體單獨(dú)成組（方案一）、電池單體之間夾隔泡沫棉（方案二）、電池模組底部布置液冷板（方案三）3 種遞進(jìn)式散熱方案，并對(duì)液冷板進(jìn)行了兩次優(yōu)化設(shè)計(jì).使用串-并聯(lián)相結(jié)合的液冷板流道結(jié)構(gòu)作為方案三的冷卻系統(tǒng)時(shí)，模組散熱效果最好，在2C 放電結(jié)束時(shí)，單體模組的最高溫度為35.08 ℃，最大溫差為4.85 ℃.相比于方案一，其散熱效率提升了37.9%；相比于方案二，其散熱效率提升了29.8%.由此可見(jiàn)，采用優(yōu)化后的方案三，在電池單體間增加泡沫棉可減少電池間的熱交互，提高電池的熱均衡性，同時(shí)對(duì)電池在行駛路況時(shí)起到減震保護(hù)作用，提高電池的安全性能；再者，在電池模組底部增設(shè)導(dǎo)熱墊和液冷板，可加快電池的散熱速率，同時(shí)配合液冷板流道結(jié)構(gòu)為串-并聯(lián)相結(jié)合的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)有效的熱管理.研究結(jié)果可為動(dòng)力電池?zé)峁芾砑捌渖峤Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考.