呂 明，陳 晨，陳子瀟，金博煥，羅慧冉，范云天

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710018）

對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組優(yōu)化水冷系統(tǒng)的研究

呂 明，陳 晨，陳子瀟，金博煥，羅慧冉，范云天

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710018）

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的重要儲(chǔ)能元件，但動(dòng)力電池長時(shí)間使用會(huì)大量放熱，若不及時(shí)散熱，會(huì)直接影響動(dòng)力電池的性能和安全性。本課題以一種磷酸鐵鋰LiFePO4電池作為研究對(duì)象，對(duì)不同電池?cái)?shù)的電池組的發(fā)熱溫度進(jìn)行測(cè)量以及熱效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究，并結(jié)合對(duì)不同液冷系統(tǒng)冷卻效果的分析，提出新型整體式冷板的設(shè)計(jì)思路并繪制出概念設(shè)計(jì)圖。

磷酸鐵鋰電池；熱效應(yīng)；液冷系統(tǒng) ；新型整體式冷板

隨著汽車工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及石油基燃料的枯竭，高性能長續(xù)航純電動(dòng)汽車受到廣泛關(guān)注。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件[1-2］，其理想工作溫度大致為15～50 ℃，而實(shí)際車況溫度變化幅度大，可達(dá)-20～60 ℃[3］，動(dòng)力電池在工作過程中所產(chǎn)生的熱效應(yīng)將直接影響電池甚至整車性能和使用安全[4-5］。為充分發(fā)揮動(dòng)力電池的性能優(yōu)勢(shì)，冷卻措施必不可少。本文選用磷酸鐵鋰LiFePO4電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，研究動(dòng)力電池組發(fā)熱特性及規(guī)律，設(shè)計(jì)出一種便于安置且能有效均衡散熱的水冷散熱系統(tǒng)，以改善電池散熱性能。

1 研究磷酸鐵鋰電池?zé)嵝?yīng)規(guī)律

1.1 恒流放電實(shí)驗(yàn)

搭建水冷循環(huán)回路：水桶—水泵—流量計(jì)—冷板—散熱器—水桶。電池選用20 Ah磷酸鐵鋰電池，電路連接：電池—開關(guān)—電阻—電池。各電池組初始時(shí)均為100 % SOC狀態(tài)，將電池分別放在絕熱底座及單進(jìn)單出冷板上，以0.25 C恒流放電2 h，每15 min測(cè)量并記錄電池上、中、下測(cè)溫點(diǎn)溫度，改變電池組電池塊數(shù)，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟。

1.2 單體電池溫升變化規(guī)律

對(duì)單體電池發(fā)熱情況進(jìn)行擬合推演分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)在室溫21 ℃下，以0.25 C恒流放電，4 h后電池表面平均溫度便會(huì)達(dá)到52.59 ℃，由文獻(xiàn)[6］可知，環(huán)境溫度越高，電池溫度變化幅度越大，因此電池溫度可能超過60 ℃，而磷酸鐵鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間為18～45℃[7］，若不對(duì)溫度加以控制，磷酸鐵鋰電池將無法高效正常工作。

圖1 單體電池溫度推演曲線

1.3 電池塊數(shù)與溫升情況的關(guān)系

采用“暗箱模型”[8］，將電池作為一個(gè)整體考慮，電池內(nèi)部溫度均勻分布，用電池3處測(cè)溫點(diǎn)溫度的平均值來表示電池溫度，保證各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有共同的起始溫度（23 ℃），如圖2所示，電池溫度變化趨勢(shì)基本相同，電池組溫升量隨電池?cái)?shù)的增加而增加，且不同電池組溫升量的差值也隨電池?cái)?shù)增加而增加。

圖2 不同電池?cái)?shù)的電池組溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖3可發(fā)現(xiàn)，電池?cái)?shù)與溫升呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。由于電池?cái)?shù)增加，電池組內(nèi)部電池與電池之間散熱條件變差，電池之間存在熱量積聚，所以電池?cái)?shù)增加，溫度曲線變化率越大。經(jīng)過擬合，可得二次多項(xiàng)式擬合方程△T(X)=0.0575X2+0.1965X+3.346。

圖3 電池組溫升隨電池個(gè)數(shù)的變化曲線

電動(dòng)汽車電池組2并12串電池組電壓與12串電池組電壓相同，由圖3可知，在環(huán)境溫度21 ℃下，以0.25 C恒流放電2 h后，電池組溫升可達(dá)14 ℃，且隨著電池?cái)?shù)增加，溫度變化率增大，溫升增大。

1.4 冷板冷卻對(duì)電池溫度變化的影響

將電池組放電初始溫度設(shè)為23 ℃，將帶冷板電池組與不帶冷板電池組溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，由圖4可發(fā)現(xiàn)，帶冷板的4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的曲線變化趨勢(shì)和溫升明顯優(yōu)于不帶冷板的4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且隨著電池?cái)?shù)的增加，冷板直接接觸的散熱面積增大，冷卻效果越好。

圖4 帶冷板冷卻和不帶冷板冷卻電池組冷卻溫升比較

2 單進(jìn)單出與雙進(jìn)雙出[9］液冷模式對(duì)比

2.1 冷卻實(shí)驗(yàn)

分別將燒杯放在單進(jìn)單出冷板上（圖5）、雙進(jìn)雙出冷板上（圖6）及絕熱底座上，進(jìn)行40 min的定時(shí)冷卻實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)整水泵和管路，保證通過冷板的冷卻水流量相同。每組實(shí)驗(yàn)兩燒杯中開始時(shí)各加入150 ml熱水（45 ℃）。通過探頭式水溫計(jì)測(cè)量水溫，每5 min讀取一次溫度。

圖5 單進(jìn)單出模式冷卻實(shí)驗(yàn) 圖6 雙進(jìn)雙出模式冷卻實(shí)驗(yàn)

2.2 不同冷卻模式溫度變化規(guī)律

由圖7可知，單進(jìn)單出組2個(gè)燒杯中的水溫每2組間的溫降在實(shí)驗(yàn)的前半段曲線重合較好，但在后半段燒杯1中的溫降多次出現(xiàn)明顯高于燒杯2的情況。這是由于冷卻水經(jīng)過一段時(shí)間循環(huán)后水溫有所升高，在循環(huán)后期，管路里有熱量積累，冷卻水經(jīng)過第2個(gè)冷板時(shí)冷卻效果已經(jīng)變差，擴(kuò)大了2個(gè)燒杯中水溫溫差。

從圖8可見，雙進(jìn)雙出組2個(gè)燒杯中的水溫初始時(shí)溫度下降變化幅度較大，之后變化趨于緩和，兩燒杯中水溫變化曲線重合狀況良好，由于實(shí)驗(yàn)開始時(shí)冷卻水溫度與燒杯中水溫差距較大，熱交換效果明顯，后期燒杯水溫下降，接近冷卻水溫度，因此變化趨于平緩。

圖7 單進(jìn)單出冷卻模式水溫溫降隨時(shí)間變化關(guān)系

圖8 雙進(jìn)雙出冷卻模式水溫溫降隨時(shí)間變化關(guān)系

自然冷卻組、單進(jìn)單出組和雙進(jìn)雙出組的平均溫度下降速率分別是0.321 ℃/ min、0.354 ℃/ min和0.504 ℃/ min，單進(jìn)單出組比自然冷卻組高10.3 %，雙進(jìn)雙出組比自然冷卻組高57.0 %，顯然使用冷板后能夠大幅度提高對(duì)熱源的散熱效果，雙進(jìn)雙出組比單進(jìn)單出組高出42.4 %，說明雙進(jìn)雙出模式散熱效果更好。

綜上可知，雙進(jìn)雙出模式在冷卻性能方面更有優(yōu)勢(shì)，即在水泵功率基本不變的情況下可達(dá)到更快的散熱速度和更均衡的散熱效果。這是因?yàn)樗鲝乃梅謩e到達(dá)2塊冷板后再回到水箱的距離相同，可保證流過2塊冷板的冷卻水具有相同的溫度，較好地改善了單進(jìn)單出模式散熱效果不均的缺陷。但當(dāng)熱源接近冷卻水溫度時(shí)，冷板散熱效果并不明顯。

3 新型冷板設(shè)計(jì)

3.1 新型設(shè)計(jì)思路

1）材料選擇 因鋁合金熔點(diǎn)低、鑄造性好、耐腐蝕、有較高的導(dǎo)熱系數(shù)、較小的密度和相對(duì)低廉的價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)，故其適宜作為鑄造材料。

2）制造工藝 選擇整體式鑄造，加工方便，可有效減少外部縫隙和外部管道連接，有效降低漏液風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)鑄造也較適合大批量快速生產(chǎn)。

3）流道布置 縮短冷卻介質(zhì)流經(jīng)發(fā)熱區(qū)的行程，加速冷卻介質(zhì)的循環(huán)速度，從而保證良好冷卻效果。通過復(fù)數(shù)的并聯(lián)流道來冷卻水循環(huán)行程，從而為電池組提供均衡高效的散熱。

4）截面及管道形狀選擇 圓形截面在同等條件下水力直徑最大，通流效果最佳；隔板中的毛細(xì)管選擇S型流道以提高散熱性能[10］；進(jìn)水主管、冷卻細(xì)管和出水主管均有一定的斜度，可利用重力加速水流循環(huán)速度。

5）其他 冷板結(jié)構(gòu)體積盡量緊湊，在注重安全的前提下有人性化考慮，方便安裝、拆卸冷板和電池，冷板上與外部水管的連接處設(shè)置有安全保護(hù)裝置，防止出現(xiàn)漏液現(xiàn)象危及電池和電氣設(shè)備。

3.2 新型冷板簡介

1）冷板的主體采用6063或6061系列鋁合金進(jìn)行整體鑄造。安裝電池后的冷板實(shí)物效果圖如圖9所示。

圖9 安裝電池后的冷板實(shí)物效果圖

2）冷板外部設(shè)計(jì)尺寸為480×170×120，設(shè)計(jì)最多可容納25×75×115大小的電池24塊，主要分為進(jìn)水口（Φ25）、分水管（Φ25）、進(jìn)水主管（Φ12）、冷卻細(xì)管（Φ6）、出水主管（Φ12）、出水口（Φ25）、散熱隔板（12×08×08）和殼體等幾個(gè)部分。冷板主要結(jié)構(gòu)如圖10所示。

3）冷板內(nèi)部管道及水流方向如圖11所示。冷卻水在水泵的作用下從進(jìn)水口流入，流經(jīng)分水管，分成2條支路。冷卻水沿著2條支路各自流向4根進(jìn)水主管，然后沿著進(jìn)水主管流向總計(jì)16根冷卻細(xì)管，用于冷卻電池。最后沿著2根出水主管經(jīng)出水口匯總流出，再流回水箱，構(gòu)成回路。

圖11 冷板內(nèi)部管道及水流方向示意圖

4）漏液風(fēng)險(xiǎn)主要集中在進(jìn)水口和出水口處。因出水口布置位置最低，無需擔(dān)心漏液在電池上，但進(jìn)水口若直接設(shè)置在電池上方，則可能出現(xiàn)漏液在電池上的情況，因此，加裝分水管把進(jìn)水口設(shè)置在電池組旁側(cè)。

4 總結(jié)

本文通過探究磷酸鐵鋰電池發(fā)熱規(guī)律并對(duì)比不同冷卻方式冷卻效果，提出一種全新的考慮散熱均衡和高效的水冷散熱系統(tǒng)。圍繞這一思路得出以下結(jié)論。

1）電池的發(fā)熱情況隨時(shí)間愈發(fā)嚴(yán)重，且隨電池?cái)?shù)量的增加，電池組由于溫度積聚，溫升越大并呈現(xiàn)二次多項(xiàng)式的變化關(guān)系。在真實(shí)電動(dòng)汽車電池組工作情況下，電池會(huì)因偏離最佳工作溫度從而影響電動(dòng)汽車整體性能。

2）雙進(jìn)雙出冷卻模式相對(duì)于傳統(tǒng)的單進(jìn)單出冷卻模式，在相同的冷板進(jìn)液量的情況下，冷卻水流速更快，擁有更均勻的散熱效果和更快的散熱速度。

3）提出的新型冷板增大了冷卻接觸面積，以較為緊湊的布局結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組大面積均衡散熱。成本低廉，采用鑄造可批量生產(chǎn)，調(diào)節(jié)部分相關(guān)尺寸即可為不同大小的熱源散熱，適用于發(fā)熱強(qiáng)度較大且需要連續(xù)工作的動(dòng)力電池或其他熱源的散熱。

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（編輯 楊 景）

Study on the Optimized Liquid Cooling System of LiFePO4Power Batteries

LV Ming，CHEN Chen，CHEN Zi-xiao，JIN Bo-huan，LUO Hui-ran，F(xiàn)AN Yun-tian
(Institute of Automobile，Chang′an University，Xi′an，710018，China)

Power batteries are important components storing energy for electric vehicles. However，when they are working for a long time，a large amount of heat will be released. On the condition that the heat isn′t dissipated timely，it will have a negative impact on the performance and safety of batteries directly. This paper selected the lithium-iron phosphate batteries as the research object，measured the temperature of battery packs with different amount of batteries in order to explore their thermal characteristics. Combined with the analysis of the cooling effect of different liquid-cooling systems，the design scheme of a new-type integral cold box was put forward and the design drawings were mapped out.

lithium iron phosphate battery；thermal effect；liquid-cooling system；new type of integral cold box

U469.72

A

1003-8639（2017）03-0005-04

2016-12-01；

2016-12-20

2015年中央高?；究蒲谢A(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（310822151023）

呂明(1995-)，男，四川成都人，本科在讀；陳晨(1996-)，女，江蘇揚(yáng)州人，本科在讀；陳子瀟(1995-)，男，廣東江門人，本科在讀；金博煥(1995-)，男，浙江東陽人，本科在讀；羅慧冉(1995-)，女，河南周口人，本科在讀；范云天(1996-)，男，滿族，吉林榆樹人，本科在讀。