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动力电池包发热量的组成及散热方案水冷风冷

发布时间:2017-12-20  新闻来源:三科斯电子

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      电池包电芯工作时的发热量主要由极化热、反应热、副反应热和焦耳热四部分组成。对于锂离子电池来说

,副反应生成热量极小,因此可以忽略不计,电池内部反应热量只需考虑剩下三部分热量:
     电池充放电时的反应热Q1 可以表示为:Q1=0.0104Q*I
式中:Q 为化学反应过程正负极产热量的代数和,单位KJ/mol;I 为放电电流,单位A。
     电芯内欧姆内阻Re 产生的焦耳热Q2: Q2=I^2*Re
     电芯内极化内阻Rp 产生的极化热Q3:Q3=I^2*Rp
     当电池工作温度在 70~80℃时,反应热占绝大比例。而锂离子正常工作温度下焦耳热和极化热占绝大比例。


      发热组件主要由电池发热芯体及芯体间膨胀泡棉(泡棉本身并不发热,主要起缓冲作用)组成。

发热芯体分成十个电池模块组,八组横置、两组纵置布置。传热组件主要包含芯体间传热铝板、冷却板、连接胶(连接传热铝板和冷却板)和进出冷却水管。

其中冷却板内部嵌置冷却水套,冷却水套内的冷却液经对流换热将传入冷却板上的热量带出。 

动力电池总图和冷却板结构图(深灰色为内部水套)见下图所示。


         
         

1. 仿真前处理
      由于锂离子电池内部结构复杂,直接建模困难,便于开展CFD计算分析,需要对电池进行简化处理。这里将电池芯体简化成均匀发热的长方体模型。
     本方案电芯发热主要通过导热和对流换热方式由冷却液流动带出。



因此整个动力电池冷却需要考虑的部件包括:电芯间导热铝板、冷却板、连接导热铝板和冷却板之间连接胶以及芯体间膨胀泡棉,其中连接胶及膨胀泡棉简化成均质长方体模型。

发热芯体外围框架向外散发的热量相对较小,这里忽略不计。整个冷却系统简化模型如下图所示。


          
     流动为不可压缩湍流,采用标准K-Epslion模型模拟湍流流动,壁面采用标准壁面函数来处理。

电芯看成各向异性的均匀热传导系数来处理,并将电池简化为均匀发热体,单个电芯质量为0.85kg,电芯比热容为1020J/kg•℃,冷却电池初始温度30℃。

电芯热传导系数为沿厚度方向1W/m•k,垂直厚度方向上为25W/m•k。
      冷却液采用体积分数 50%乙二醇50%水混合液,入口流量为6.5L/min(根据电池发热总量经验估算),进水温度25℃。

电池发热评价工况采用US06 运行工况,一个US06 循环工况(600s)内电池生热情况如下图所示,将电芯瞬时发热功率折算成稳态下的平均等效发热功率3.367W。


   
2. 仿真结果分析
      电芯整体温度分布并不均匀,其中两组纵置电池组由于最先受到冷却,整体温度低;相反,另外八组横置电池组最后被冷却,整体温度高。此外,由于电池组采用一侧冷却,每组电芯自身也有5℃左右的温差。

稳态计算平衡后,电芯整体最大温度达到40.17℃(允许值45℃),电芯整体最大温差高达10.44℃(超出允许5℃),电芯整体冷却不均匀。


       



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