对磷酸铁锂动力电池组优化水冷系统的研究

吕 明，陈 晨，陈子潇，金博焕，罗慧冉，范云天

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710018）

对磷酸铁锂动力电池组优化水冷系统的研究

吕 明，陈 晨，陈子潇，金博焕，罗慧冉，范云天

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710018）

动力电池是电动汽车的重要储能元件，但动力电池长时间使用会大量放热，若不及时散热，会直接影响动力电池的性能和安全性。本课题以一种磷酸铁锂LiFePO4电池作为研究对象，对不同电池数的电池组的发热温度进行测量以及热效应规律进行研究，并结合对不同液冷系统冷却效果的分析，提出新型整体式冷板的设计思路并绘制出概念设计图。

磷酸铁锂电池；热效应；液冷系统 ；新型整体式冷板

随着汽车工业和科学技术的发展以及石油基燃料的枯竭，高性能长续航纯电动汽车受到广泛关注。动力电池作为电动汽车的关键部件[1-2］，其理想工作温度大致为15～50 ℃，而实际车况温度变化幅度大，可达-20～60 ℃[3］，动力电池在工作过程中所产生的热效应将直接影响电池甚至整车性能和使用安全[4-5］。为充分发挥动力电池的性能优势，冷却措施必不可少。本文选用磷酸铁锂LiFePO4电池作为实验对象，研究动力电池组发热特性及规律，设计出一种便于安置且能有效均衡散热的水冷散热系统，以改善电池散热性能。

1 研究磷酸铁锂电池热效应规律

1.1 恒流放电实验

搭建水冷循环回路：水桶—水泵—流量计—冷板—散热器—水桶。电池选用20 Ah磷酸铁锂电池，电路连接：电池—开关—电阻—电池。各电池组初始时均为100 % SOC状态，将电池分别放在绝热底座及单进单出冷板上，以0.25 C恒流放电2 h，每15 min测量并记录电池上、中、下测温点温度，改变电池组电池块数，重复实验步骤。

1.2 单体电池温升变化规律

对单体电池发热情况进行拟合推演分析，如图1所示，发现在室温21 ℃下，以0.25 C恒流放电，4 h后电池表面平均温度便会达到52.59 ℃，由文献[6］可知，环境温度越高，电池温度变化幅度越大，因此电池温度可能超过60 ℃，而磷酸铁锂电池的最佳工作温度区间为18～45℃[7］，若不对温度加以控制，磷酸铁锂电池将无法高效正常工作。

图1 单体电池温度推演曲线

1.3 电池块数与温升情况的关系

采用“暗箱模型”[8］，将电池作为一个整体考虑，电池内部温度均匀分布，用电池3处测温点温度的平均值来表示电池温度，保证各组实验数据有共同的起始温度（23 ℃），如图2所示，电池温度变化趋势基本相同，电池组温升量随电池数的增加而增加，且不同电池组温升量的差值也随电池数增加而增加。

图2 不同电池数的电池组温度随时间变化关系

由图3可发现，电池数与温升呈现二次多项式函数关系。由于电池数增加，电池组内部电池与电池之间散热条件变差，电池之间存在热量积聚，所以电池数增加，温度曲线变化率越大。经过拟合，可得二次多项式拟合方程△T(X)=0.0575X2+0.1965X+3.346。

图3 电池组温升随电池个数的变化曲线

电动汽车电池组2并12串电池组电压与12串电池组电压相同，由图3可知，在环境温度21 ℃下，以0.25 C恒流放电2 h后，电池组温升可达14 ℃，且随着电池数增加，温度变化率增大，温升增大。

1.4 冷板冷却对电池温度变化的影响

将电池组放电初始温度设为23 ℃，将带冷板电池组与不带冷板电池组温升数据进行对比，由图4可发现，带冷板的4组实验数据对应的曲线变化趋势和温升明显优于不带冷板的4组实验数据，且随着电池数的增加，冷板直接接触的散热面积增大，冷却效果越好。

图4 带冷板冷却和不带冷板冷却电池组冷却温升比较

2 单进单出与双进双出[9］液冷模式对比

2.1 冷却实验

分别将烧杯放在单进单出冷板上（图5）、双进双出冷板上（图6）及绝热底座上，进行40 min的定时冷却实验。通过调整水泵和管路，保证通过冷板的冷却水流量相同。每组实验两烧杯中开始时各加入150 ml热水（45 ℃）。通过探头式水温计测量水温，每5 min读取一次温度。

图5 单进单出模式冷却实验 图6 双进双出模式冷却实验

2.2 不同冷却模式温度变化规律

由图7可知，单进单出组2个烧杯中的水温每2组间的温降在实验的前半段曲线重合较好，但在后半段烧杯1中的温降多次出现明显高于烧杯2的情况。这是由于冷却水经过一段时间循环后水温有所升高，在循环后期，管路里有热量积累，冷却水经过第2个冷板时冷却效果已经变差，扩大了2个烧杯中水温温差。

从图8可见，双进双出组2个烧杯中的水温初始时温度下降变化幅度较大，之后变化趋于缓和，两烧杯中水温变化曲线重合状况良好，由于实验开始时冷却水温度与烧杯中水温差距较大，热交换效果明显，后期烧杯水温下降，接近冷却水温度，因此变化趋于平缓。

图7 单进单出冷却模式水温温降随时间变化关系

图8 双进双出冷却模式水温温降随时间变化关系

自然冷却组、单进单出组和双进双出组的平均温度下降速率分别是0.321 ℃/ min、0.354 ℃/ min和0.504 ℃/ min，单进单出组比自然冷却组高10.3 %，双进双出组比自然冷却组高57.0 %，显然使用冷板后能够大幅度提高对热源的散热效果，双进双出组比单进单出组高出42.4 %，说明双进双出模式散热效果更好。

综上可知，双进双出模式在冷却性能方面更有优势，即在水泵功率基本不变的情况下可达到更快的散热速度和更均衡的散热效果。这是因为水流从水泵分别到达2块冷板后再回到水箱的距离相同，可保证流过2块冷板的冷却水具有相同的温度，较好地改善了单进单出模式散热效果不均的缺陷。但当热源接近冷却水温度时，冷板散热效果并不明显。

3 新型冷板设计

3.1 新型设计思路

1）材料选择 因铝合金熔点低、铸造性好、耐腐蚀、有较高的导热系数、较小的密度和相对低廉的价格等优点，故其适宜作为铸造材料。

2）制造工艺 选择整体式铸造，加工方便，可有效减少外部缝隙和外部管道连接，有效降低漏液风险，同时铸造也较适合大批量快速生产。

3）流道布置 缩短冷却介质流经发热区的行程，加速冷却介质的循环速度，从而保证良好冷却效果。通过复数的并联流道来冷却水循环行程，从而为电池组提供均衡高效的散热。

4）截面及管道形状选择 圆形截面在同等条件下水力直径最大，通流效果最佳；隔板中的毛细管选择S型流道以提高散热性能[10］；进水主管、冷却细管和出水主管均有一定的斜度，可利用重力加速水流循环速度。

5）其他 冷板结构体积尽量紧凑，在注重安全的前提下有人性化考虑，方便安装、拆卸冷板和电池，冷板上与外部水管的连接处设置有安全保护装置，防止出现漏液现象危及电池和电气设备。

3.2 新型冷板简介

1）冷板的主体采用6063或6061系列铝合金进行整体铸造。安装电池后的冷板实物效果图如图9所示。

图9 安装电池后的冷板实物效果图

2）冷板外部设计尺寸为480×170×120，设计最多可容纳25×75×115大小的电池24块，主要分为进水口（Φ25）、分水管（Φ25）、进水主管（Φ12）、冷却细管（Φ6）、出水主管（Φ12）、出水口（Φ25）、散热隔板（12×08×08）和壳体等几个部分。冷板主要结构如图10所示。

3）冷板内部管道及水流方向如图11所示。冷却水在水泵的作用下从进水口流入，流经分水管，分成2条支路。冷却水沿着2条支路各自流向4根进水主管，然后沿着进水主管流向总计16根冷却细管，用于冷却电池。最后沿着2根出水主管经出水口汇总流出，再流回水箱，构成回路。

图11 冷板内部管道及水流方向示意图

4）漏液风险主要集中在进水口和出水口处。因出水口布置位置最低，无需担心漏液在电池上，但进水口若直接设置在电池上方，则可能出现漏液在电池上的情况，因此，加装分水管把进水口设置在电池组旁侧。

4 总结

本文通过探究磷酸铁锂电池发热规律并对比不同冷却方式冷却效果，提出一种全新的考虑散热均衡和高效的水冷散热系统。围绕这一思路得出以下结论。

1）电池的发热情况随时间愈发严重，且随电池数量的增加，电池组由于温度积聚，温升越大并呈现二次多项式的变化关系。在真实电动汽车电池组工作情况下，电池会因偏离最佳工作温度从而影响电动汽车整体性能。

2）双进双出冷却模式相对于传统的单进单出冷却模式，在相同的冷板进液量的情况下，冷却水流速更快，拥有更均匀的散热效果和更快的散热速度。

3）提出的新型冷板增大了冷却接触面积，以较为紧凑的布局结构实现对电池组大面积均衡散热。成本低廉，采用铸造可批量生产，调节部分相关尺寸即可为不同大小的热源散热，适用于发热强度较大且需要连续工作的动力电池或其他热源的散热。

[1]陈全世，齐占宁.燃料电池电动汽车的技术难关和发展前景[J］.汽车工程，2001，23（6）：362-363.

[2]林成涛，陈全世.燃料电池客车动力系统结构分析[J］.公路交通科技，2003，20（5）：134-135.

[3]辛乃龙.纯电动汽车锂离子动力电池组热特性分析及仿真研究[D］.长春：吉林大学，2012.

[4]Ahmad A P. Battery thermal models for hybrid vehicle simulation [J］.Power Sources，2002（110）：377-382.

[5]杨凯，李大贺，陈实，等.电动汽车动力电池的热效应模型[J］.北京理工大学学报，2008，28（9）：782-785.

[6]郑潇洁.动力用锂离子电池的热效应分析[D］.北京：北京交通大学，2012.

[7]张庭芳，郭伟春，付艳恕，等.车载动力电池组温升特性仿真及实验研究[J］.电源技术，2015（1）：43-46.

[8]赵中令，王丹，张克金，等.基于实验数据的动力锂离子电池的计算研究[C］//2015年中国汽车工程师学会年会论文集.北京：北京理工大学出版社，2015：139-142.

[9]徐晓明.赵又群.基于双进双出流径液冷系统散热的电池模块热特性分析[J］.中国工程机械，2014，24（3）：313-321.

[10］董锋.液冷冷板内S型及S型加分流片流道仿真与优化[D］.西安：西安电子科技大学，2011.

（编辑 杨 景）

Study on the Optimized Liquid Cooling System of LiFePO4Power Batteries

LV Ming，CHEN Chen，CHEN Zi-xiao，JIN Bo-huan，LUO Hui-ran，FAN 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年中央高校基本科研基础研究计划项目（310822151023）

吕明(1995-)，男，四川成都人，本科在读；陈晨(1996-)，女，江苏扬州人，本科在读；陈子潇(1995-)，男，广东江门人，本科在读；金博焕(1995-)，男，浙江东阳人，本科在读；罗慧冉(1995-)，女，河南周口人，本科在读；范云天(1996-)，男，满族，吉林榆树人，本科在读。