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動力電池散熱方案

現在的新能源汽車,基本上是由電池組直接或者間接提供動力的,按照能量來源和動力組成來劃分,電動汽車可以分為純電動汽車(EV,Electric Vehicle)、混合動力電動汽車(HEV,Hybrid Electric Vehicle)和燃料電池電動汽車(FCEV,Fuel Cell Electric Vehicle),無論哪種形式的新能源汽車,電池組的熱管理都是其設計中非常重要的一個環節。

混合動力電動汽車

材料

密度(Kg/m3

導熱系數(W/m℃)

比熱(J/Kg))

池主體

2123

30.6

913

極耳(正)

2719

202.4

871

極耳(負)

8978

387.6

381

隔膜

1008

0.3344

1978

殼體

8193

14.7

439.3

鋰電池的物性參數


 加工工藝介紹

我司的電池包液冷方案主要采用埋管和微通道的工藝,埋管的工藝是為了充分利用銅的高導熱性的特點,我們采用在鋁板上開槽,然后嵌入銅管的方式,而微通道的方式則是為了提高內部流到的對流換熱系數,更加快速均勻的讓冷卻液將熱量帶走。
材料 密度(Kg/m3) 導熱系數(W/m℃) 比熱(J/(Kg℃))
電池主體 2123 30.6 913
極耳(正) 2719 202.4 871
極耳(負) 8978 387.6 381
隔膜 1008 0.3344 1978
殼體 8193 14.7 439.3

①、埋管:單側和發熱器件貼合,將銅管和開槽的鋁板過盈配合,將銅管壓扁并進行銑面等精加工的方式進行處理,以保證較好的貼合。

埋管

②微通道:采用型材模具或者機加工的方式獲得微通道結構,然后結合焊接工藝對其進行密封處理,這樣可以充分提高內部流體和壁面之間的對流換熱系數,大幅度提升換熱效率。


電池的規格(磷酸鐵鋰電池)
電池的類型:磷酸鐵鋰
額定容量:55Ah
標稱電壓:3.2V
直流內阻:2mΩ
電池尺寸:136mm x 199mm x 28.5mm
最大持續充電電流:3C
最大持續放電電流:5C


基板材料:AL6063-T6
管路材料:紫銅T2
采用2并120串的方式,整個電池系統分4個冷卻單元,現在對其一個單元進行熱分析。
磷酸鐵鋰電池的熱損耗主要來源于內阻和反應熱,充電和放電過程不同,且隨不同的SOC是變化,該項目電池單體的損耗數據如下圖。

                                充電模式下損耗數據


                                              放電模式下損耗數據

邊界條件
冷    媒:50%體積比的乙二醇水溶液
冷媒溫度:25℃
體積流率:4L/min

設計要求
流動阻力小于10Kpa
電池溫升小于20℃,且電池之間溫度差小于5℃

流場分布云圖

進出口壓力差大約3Kpa

                        充電過程電池表面溫度分布云圖


電池包充電過程中,在SOC為70%-80%的情況下,溫度最高,電池包最高溫度大約35℃,溫升大約10℃,電池包之間的溫差大約3℃,都可以滿足設計要求。

充電過程中各電池包表面最高溫度隨時間變化

                充電過程電池表面溫度分布云圖


電池包放電過程中,在SOC為0-10%的情況下,溫度最高,電池包最高溫度大約43℃,溫升大約18℃,電池包之間的溫差大約5℃,都可以滿足設計要求。


          放電過程中各電池包表面最高溫度隨時間變化

結論

1、在4L/min的體積流量下,管道的流動阻力大約3Kpa,可以滿足設計要求;
2、按照1C的充放電倍率進行計算,工況比較嚴酷(1小時連續工作,完成充放電),充電模式下電池包電池包最高溫度大約35℃,溫升大約10℃,電池包之間的溫差大約3℃,可以滿足設計要求;
3、放電電模式下電池包電池包最高溫度大約43℃,溫升大約18℃,電池包之間的溫差大約5℃,也可以滿足設計要求,但是在電池電量只剩5%-10%的情況下,電池的溫度將明顯升高。

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