某纯电动汽车电池箱体结构设计与热特性分析

金英洁 李波 冯琳桓 杨鹏程

摘 要：动力电池是纯电动汽车的唯一动力源，纯电动汽车在运行过程中动力电池会产生大量的热，它不仅影响电池的性能，而且存在着安全问题。文章设计了一种纯电动汽车电池箱体模型，采用风冷散热和相变材料散热相结合的方式保证电池工作在适宜温度，通过仿真分析动力电池在高倍率放电时随着冷却风扇风速的增加电池的温度有所降低，当风速在4m/s时仍具有较好的散热效果，仿真分析发现该箱体具有良好的散热表现，能够保证动力电池在各种工况下工作温度的稳定。

关键词：纯电动汽车；电池箱体设计；相变材料；风冷散热；热特性分析

中图分类号：U469.72 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0048-03

Abstract： Power battery is the only power source of pure electric vehicle. Power battery will produce a lot of heat in the running process of pure electric vehicle. It not only affects the performance of battery， but also has safety problems. This paper designs a battery box model of pure electric vehicle， which adopts the combination of air-cooled heat dissipation and phase-change material heat dissipation to ensure the battery to work at the appropriate temperature. The simulation analysis shows that the temperature of the battery decreases with the increase of the cooling fan wind speed at high rate of discharge， and still has a good heat dissipation effect when the wind speed is in 4m/s. The simulation results show that the box has good heat dissipation performance， which can ensure the stability of the operating temperature of the power battery under various working conditions.

Keywords： pure electric vehicle； battery box design； phase change material； air-cooled heat dissipation； thermal analysis

电动汽车由于它节能和环境友好的特点得到世界各国的重视，最近几年来得到了迅速发展[1，2]。动力电池技术是电动汽车的关键技术，动力电池的优劣直接影响纯电动汽车的续驶里程和使用性能[3]。而电池的性能在很大程度上受到温度的影响，电池温度过高会使电池寿命减少严重时会发生爆炸[4]。为了使得动力电池在各种工况下均能工作在适宜温度，一套科学的电动汽车电池散热系统就显得尤为重要[5-10]。

本文设计了一种风冷散热和相变材料相结合的电动汽车箱体散热结构，利用有限元分析软件，仿真分析電池在高倍率放电的情况下不同风速对于电池箱体散热的影响。

1 动力电池散热箱体设计

1.1 电池布置形式与电池包设计

本设计主要是针对合肥国盛电池科技有限公司的方形磷酸铁锂电池，型号为：lFP1965142AC12Ah（Y/L）其长宽高分别为：141mm×65mm×19mm。该车用电池系统一共含有两个电池箱体，每个箱体内包含24个电池模块，每个模块有6个电池单体，总共有2×24×6=288块电池单体，每块电池的额定工作电压是3.2V，而每一个电池单体的容量是12.3Ah。

1.2 简化分析模型

为了简化分析过程，现在针对一个电池模块（包含6块电池单体）进行单独热分析，电池单体在箱体内的排列方式以及分析模型的主要构成部分如图1所示。

采用向石蜡中添加石墨的方法构成复合相变材料，改善了石蜡的导热性能，强化了传热，提高了相变材料的储热、放热性能。石墨可以增加石蜡传热的有效面积，大大提高了石蜡/石墨相变储热材料在储（放）热过程中的传热性能，缩短了储（放）热时间，当石墨/石蜡相变材料中石墨含量为40%时，相变材料的储热、放热特性具有较好表现，因此石墨和石蜡相变材料中石墨的重量占总重的60%。箱体外壳以及隔板采用牌号为6061-T651的铝合金材料，并采用纯铜材料的散热铜管。

2 动力锂电池单体电池仿真参数的确定

由上表的的参数及其他相关参数建立电池热模型，该电池热模型简化为几何中心产热。

3 电池箱热分析

3.1 几何模型

电池包几何模型由电池箱体、铜管、电芯、石墨与石蜡混合相变材料等组成，因为左右对称，为了简化分析模型，我们可以先分析一半，然后通过结果对称来求得最终的分析结果。

3.2 温度分布云图

本文分析了不同流体（空气）流速时电池温度分布情况，为了便于观察，下图中将电池箱体隐藏或者透明化，电池放电倍率为1C。以下各图是空气流速为4m/s、5m/s、6m/s时电池内部（采用面切的方式查看电池内部的温度）和外部的温度分布云图。

由图，4m/s电池最高温度（存在于两侧两块电池的内部中心）为311.5K；5m/s电池最高温度为310K；6m/s电池最高温度为308.5K，在此温度梯度情况下流体速度的增加对于最高温度的改善并不大，我们也分析了流体速度为2m/s、3m/s时电池温度分布情况，但散热情况不太理想，从图中可以看到温度最高处位于电池的最外面两块的外侧部分，此处散热不佳，比电池内部的温度稍低。电池的最高工作温度不能超过60℃，超过60℃有燃烧和爆炸的危险，电池的工作温度保持在40℃左右时比较合适的，在本文的分析中，当风速为4m/s时，电池最高温度为38.35，仍然符合电池工作的最优工作温度范围（25℃～40℃）。

4 结束语

（1）本文设计了一种相变材料散热和风冷散热方式相结合的电动车散热箱体模型，在热分析仿真试验中箱体能有效地给电池降温，使得锂电池在最适合的温度下工作。

（2）在较小的冷却风扇风速（4m/s）时，电池散热箱体就有着不错的散热表现，随着冷却风扇风速的增加，电池温度有所降低，各个电池单体之间的温度差变小，电池的均一性越好。

（3）由于箱体的两侧没有布置相变材料和铜管，电池最高温度点位于两侧的两块电池的中心，这两块电池的外侧表面温度也较高，出于结构的紧凑性和温度最高点温度在合理范围内，无增加散热部分的必要性。

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