磷酸铁锂动力电池组的水冷系统优化设计

目录摘要ABSTRACT绪论1.1磷酸铁锂动力电池的概述1.1.1磷酸铁锂电池的充放电原理1.1.2磷酸铁锂电池组的优缺点1.2水冷式动力电池冷却系统简介1.3选题背景以及意义1.4国内外研究现状1.5本文主要内容电池的生热机理及模型2.1方形磷酸铁锂电池结构以及电池性能参数2.1.1方形磷酸铁锂电池的基本结构2.1.2磷酸铁锂电池性能参数2.2方形磷酸铁锂电池的生热与传热机理2.2.1方形磷酸铁锂电池的生热机理2.2.2方形磷酸铁锂电池的穿热特性2.3方形磷酸铁锂电池热模型及工作温度确定2.3.1方形锂离子电池的电热模型2.3.2锂离子电池最佳工作温度2.4本章小结方形磷酸铁锂电池单体温度场分析3.1方形磷酸铁锂电池单体仿真模型3.1.1方形磷酸铁锂电池参数3.1.2磷酸铁锂电池的建模与网格划分3.2电池单体温度场分析3.2.1不同放电倍率放电电池的温度场分析3.2.2不同环境温度下电池的温度场分析3.3本章小结磷酸铁锂动力电池组的水冷系统优化设计摘要：随着汽车数量变得越来越多，如何减少汽车的排放，使汽车变得更节能和环保已经成为当前所研究的焦点。所以纯电动汽车就变得炙手可热，动力电池也就随之进入人们的视野，成为很多人研究的重点对象。纯电动车的电池种类繁多，但是锂离子电池的技术最为成熟，应用也最为广泛。所以本文将以磷酸铁锂动力电池作为对象，对其水冷系统进行研究和优化。本文结合锂离子电池的特点、发热机理以及锂离子电池数值仿真的最新进展，分析了液体冷却系统的基本原理。对电池组进行理论分析和并用SolidWorks建立相应的模型，采用ANSYS软件对电池组内部温度场分布进行仿真分析。基于仿真分析的结果，以温度均匀性为目标函数，最高温度为约束条件，实现水冷系统的设计和优化。主要研究工作如下：（1）建立单体电池模型，计算电池物性参数，并对其放电温度场进行仿真，为优化水冷系统提供理论基础。（2）建立以7个电池为基础的水冷系统，根据传热学相关知识磷酸铁锂电池组的产热机理，利用ANSYS等相关软件对电池的换热特性进行分析。（3）针对电池表面温度分布的不均匀性，分别对水冷板和冷却液进行优化，提出采用分流S形冷板以及改善冷却液的进口流速和进口温度等措施。（4）在对电池进行仿真分析的基础上，针对本文所选取的磷酸铁锂动力电池，计算电池，点机以及冷却循环系统参数，设计了一套水冷系统，并对水冷系统的重要部件进行了选型。关键词:磷酸铁锂电池组散热系统水冷ANSYS优化设计OptimaldesignofwatercoolingsystemforlithiumironphosphatebatterypackAbstract:Asthenumberofcarsbecomesmoreandmore,howtoreducetheemissionofcarsandmakethemmoreenergyefficientandenvironmentallyfriendlyhasbecomethefocusofcurrentresearch.Therefore,pureelectricvehicleshavebecomeveryhot,andthepowerbatteryhasalsoenteredpeople'svisionandbecomethefocusofmanypeople'sresearch.Batterytypesofpureelectricvehiclesarevarious,butlithiumionbatterytechnologyisthemostmatureandthemostwidelyused.Thispaperwilltakelithiumironphosphatepowerbatteryastheobjecttostudyandoptimizeitswatercoolingsystem.Inthispaper,thebasicprincipleofliquidcoolingsystemisanalyzedbycombiningthecharacteristics,heatingmechanismandthelatestdevelopmentofnumericalsimulationoflithiumionbattery.BasedonthetheoreticalanalysisofthebatterypackandtheestablishmentofthecorrespondingmodelwithSolidWorks,thetemperaturefielddistributioninsidethebatterypackwassimulatedwithANSYSsoftware.Basedontheresultsofsimulationanalysis,thedesignandoptimizationofthewatercoolingsystemarerealizedbytakingthetemperatureuniformityastheobjectivefunctionandthemaximumtemperatureastheconstraintcondition.Themainresearchworkisasfollows:(1)Inthispaperasinglebatterymodelwasestablishedtocalculatethephysicalparametersofthebattery,andthedischargetemperaturefieldwassimulatedtoprovideatheoreticalbasisfortheoptimizationofthewater-coolingsystem.(2)Inthispaperawater-coolingsystembasedon7batterieswasestablished.Accordingtotheheattransferknowledge,theheatgenerationmechanismoflithiumironphosphatebatterypackwasanalyzed,andtheheattransfercharacteristicsofthebatterywereanalyzedbyANSYSandotherrelevantsoftware.(3)inviewoftheuneventemperaturedistributiononthesurfaceofthebattery,thewater-coolingplateandthecoolingliquidwereoptimizedrespectively,andthemeasuressuchasadoptingseparates-shapedcoldplateandimprovingtheinletflowrateandinlettemperatureofthecoolingliquidwereputforward.(4)basedonthesimulationanalysisofthebattery,asetofwatercoolingsystemwasdesignedbasedonthecalculationofthebattery,thepointmachineandthecoolingcyclesystemparametersofthelithiumironphosphatepowerbatteryselectedinthispaper,andtheimportantcomponentsofthewatercoolingsystemwereselected.Keywords:lithiumironphosphatebatterypackcoolingsystemwatercoolingANSYSoptimizationdesign第一章绪论目前随着电动汽车技术的发展以及化石燃料资源变得非常紧张，性能好、续航强的纯电动汽车成为关注的重点对象。动力电池作为电动汽车的关键部件其热管理也面临更高的要求，动力电池的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℃[1]，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。我们想要电池的优点得到充分的发挥，它的冷却系统变得至关重要。我们对磷酸铁锂LiFeP04电池进行研究，观察其热特性及规律，设计出一种能够有效冷却且经济效益较好的水冷系统。1.1磷酸铁锂动力电池概述磷酸铁锂电池在1997年在美国被研发出来。2006年，某电动工具公司生产出一款无电线的电动工具，因其便捷、可快充、功率强大等原因，此款工具很受欢迎，它使用的动力源就是磷酸铁锂电池，它安全性更高，循环次数更长[2]。所以一直到现在都很受研究者和企业的关注。1.1.1磷酸铁锂动力电池的充电和放电原理磷酸铁锂电池能进行充放电反应是因为LiFePO4和FePO4的相互转化，在充电时，锂离子从LiFePO4中脱离出来变成FePO4，在放电时，电子经导电体流向负极的铜箔集电极，最后锂离子嵌入到磷酸铁晶体后，磷酸铁转化为磷酸铁锂[3]。

正极反应：负极反应：1.2水冷式动力电池冷却系统简介当电池被水冷的时候冷却液在冷板的管道中流动，然后由冷却液将电池的热量带出经过换热器等传递给制冷剂从而将电池温度降低。动力电池的水冷系统由水箱、软管、水泵、换热器等零部件组成。利用热传导的原理，通过冷却液在各个回路的循环，从而使系统的温度维持在一个合适的范围内。冷却液一般选择50%的乙二醇溶液。水箱膨胀水箱安装在水冷系统的水路循环系统里面，主要作用是调节系统中的压力、容纳系统水的膨胀量同时为系统补充水，它的动力由水泵提供。软管橡胶软管安装在水冷系统的各个组件之间，将冷却液和制冷剂输送到系统的各个组件里面。一般适用范围较广，耐化学性也比较高。冷却水泵冷却水泵提供循环动力，因为水泵的作用冷却液才能够在水路中循环流动。4、换热器换热器（Chiller）作为电池水冷系统的一个非常关键的组件，它的原理是将冷却液从电池带出的带出的热量传递给制冷剂，然后由制冷剂带走热量，重新将冷却液的温度降下来，再次流入冷却板对动力电池进行冷却，使动力电池的放电性能处于最佳状态。1.3选题背景及意义能源形势和环境污染带来的压力日益严峻，世界范围内的每一个国家都越来越重视能源和环境问题。纯电动汽车汽车因能源清洁、不会排放污染物等传统汽车所没有的优势，使它从曾经的理论，慢慢进入人们的生活。而动力电池作为纯电动汽车的心脏，它发展的快慢和好坏直接决定了纯电动汽车的发展曲线。因此，电能源汽车的发展也带来了动力电池发展的机遇。电池的温度对其使用性能和寿命有着不可忽视的影响文献[4,5]研究了温度变化对电池循环寿命的影响，温度太低，会导致电池的放电容量降低；温度过高，将导致电极降解和电解液分解等有害反应得发生。因而，要想保证电池组的性能，提高电池组的散热效率并对电池组进行温度控制是关键。水冷因具有换热系数高，冷却速度快，散热量大，而且能保证所设计的散热系统紧凑、体积小等优点，因而被广泛应用于因大倍率放电而产生大量热的场合。与其他电池相比锂电池发展最为迅速，锂电池在新能源汽车领域中占有主体地位，在国家和地方的优惠政策支持下，新能源汽车己经上升为国家战略产业，国内新能源汽车产业己经初成规模，根据国家工信部提供的权威数据可知，自2018年开始，在我国电动汽车的数量都呈现出快速增长的趋势，而且预测在将来的五年内总装机量同比增长率至少保持30个百分点。目前生产的电动汽车主要有两类，分别是混合动力汽车和纯电动汽车，因为电池的工艺及技术问题，电池的能量密度只有汽油的百分之一，续航能力差，与用户的期望差距较大，以目前电池工艺的角度看，至少在十年内电动汽车尚无法完全取代燃油汽车[6]，所以混合动力汽车作为过渡产品，其实是迫于动力电池技术尚没有解决的无奈之举，混合动力装置汽车的电力来源是镍氢电池，其技术己经非常成熟，很难再有重大突破，理离子电池尚处于蓬勃发展的时期，性能的优越性使各电动汽车生产厂家将它作为首要选择。而且锂离子电池特别适用于动力电池领域，在路况复杂、环境苛刻的环境中，电池产热速度会急剧加速，这对电池的容量、寿命，尤其是安全性能的影响非常的大。所以锂离子动力电池组的散热问题至关重要[7]。1.4国内外研究现状新能源技是21世纪的高新技术，而电池行业是它的重要组成部分，发展的势头越来越好。而锂离子电池已经成为能量源的一种被人们广泛应用于生活的各个方面，例如电子通信领域和交通运输领域等。

锂电池直接决定着纯电动汽车的整车性能，并间接决定着其的市场价格。就目前来说，电池技术的发展收到了电池本身能量密度低和循环寿命短等问题的约束，而且使用的可靠性和安全性等问题大大提高了动力电池的成本。但是我们要想从电池本身出发去解决安全性和可靠性的问题是非常困难的，所以我们将目光聚集在了电池的热管理系统上。自19世纪80年代开始，就有人陆陆续续开始了电池热管理系统的研究，后来随着纯电动汽车越来越受关注，动力电池才慢慢发展起来。经过近这些年的发展，经过国内外专家、学者的研究，液冷式冷却系统取得了以下成果。PaulNelson[8]等研究电池热管理系统时选用空气和电解流体作为冷却介质，验证了电解流体无论加热效果还是冷却效果都优于空气介质，而且电池模块间的温度差异较小。密歇根大学的Chen[9]等在锉离子电池组两侧布置冷却通道，并采用硅油作为冷却介质进行热交换，靠近通道的电池两侧有较低的温度，而电池组中心温度则比较高。加拿大女王大学的Jarrett[10]等提出了八种蛇形通道冷板，并对其进行数值分析发现冷板的进出口宽度、进口冷却液体的流量和流速以及冷板的流道布置等都对电池的散热性能产生一定的影响。华南理工大学王红民[11]采用液体冷却管道缠绕方式来完成电池热量到冷却液体的热交换;欧阳东[12]则直接将制冷剂引入电池组内部进行热管理，通过仿真分析证明可以将电池温度维持在45℃以下。吴忠杰[13]等对镍氢电池套管式蒸发器液冷系统进行仿真分析，结果表明电池的整体温度均低于24℃，且整个电池组温差在1-2℃间。南京航空航天大学的徐晓明[14]等对双进双出式的板式液冷系统进行实验分析，结果表明，液冷系统的散热能力随流量先提高然后降低，随后设计出三进三出式、六进六出式的液体通道，随着进出口数量的增加，流道内的流动均匀性和散热性能逐步改善。1.5本文主要内容本文利用软件ANSYS对锂离子电池进行电热分析研究。研究内容主要有以下几点：Fluent和SolidWorks建模软件的学习，研究数学建模方法；根据磷酸铁锂电池组的产热机理计算出相应的产热速率，利用SolidWorks等相关软件建立电池组三维模型。仿真发现电池的产热速率受放电倍率的影响很大，电池组的温度分布主要受水冷板和冷却液的影响较大。分析所设计的电池组的冷却方式，在仿真实验中设置不同的流道结构，一系列的流速以及口水温度等方向来探索最优的设计。对磷酸铁锂动力电池组水冷系统的选型提出初步的理论指导。电池生热机理及模型2.1方形磷酸铁锂电池结构以及电池性能参数（1）磷酸铁锂动力电池的基本结构方形磷酸铁锂电池的正极材料是磷酸铁锂、外壳材料为铝或者钢的动力电池，电池内部由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和集流体等主要部分组成[15]图2.1磷酸铁锂内部结构（2）磷酸铁锂动力电池性能参数动力电池的主要性能指标主要有:电池电压、电池容量、电池能量密度、电池功率密度、电池内阻、电池的充放电倍率、电池寿命、电池荷电状态等[16-17]2.2方形磷酸铁锂电池的生热与传热机理2.2.1方形磷酸铁锂电池的生热机理由磷酸铁锂动力电池的工作原理可知，电池在充放电的每一个过程都会有热量产生。锂离子电池生热量主要有：反应热Qr、欧姆内阻的焦耳热Qj、极化热Qp和副反应热Qs四个部分组成[18]。锂离子电池生热量Q可表示。如下式:(2.1)在实际放电过程中，可以忽略副反应热产生的热量，因此，电池在充放电过程中主要包括可逆热与不可逆热。[19]2.2.2方形磷酸铁锂电池的传热特性锂离子电池在工作的过程中生成热量的热交换形式有热传导、热对流、热辐射三种[20]，传热过程如图2.2所示。（1）热传导如果一个物体体内温度不一致，热量将会从物体内温度较高的地方传递到温度低的地方；如果互相接触的两个物体温度不一致，高温物体的热量将会传递到低温物体上，使得物体内部各部分、两个接触的物体温度趋于一致，这种现象就是热传导。热传导的过程遵循Fourier导热基本定律，其表达式如下:（2.2）式中，qn:热流密度，W/m2;Q：热流量；A：导热面积，m2；λ：导热系数，W/（m2.k）;dt/dx:沿等温面法线方向的温度梯度，K/m。（2）热对流热对流是具有温差的流体和固体之间因微观粒子相对位移而产生的传热流体的流动带动热量传递。锂离子电池内部产生的热量通过导热介质传递到电池表面，电池外壳一般为导热性能良好的金属材质，流体流经电池表面时，由于存在流体与固体之间的热对流，流动的冷却气体带走电池表面的热量，使其温度下降[19]，这是一个流固共扼现象。热对流过程遵循牛顿冷却公式：（2.3）（3）热辐射物体因具有温度的原因而不断向外发出辐射能的过程称为热辐射，在锂离子电池共工作过程中辐射传递的热量很小，本文忽略不计。2.2.3方形锂离子电池的电池热模型在直角坐标系中由能量守恒定律得到电池的导热微分方程如下:（2.4）其中ρ：电池的密度;Cp:热容；Q：电池内部产生的热量；λx、λy、λz：电池内部x、y、z三个方向的导热率。由上式可知，我们再确定热物性参数和定义边界条件，就可完成热模型的建立。方形磷酸铁锂电池单体温度场分析3.1方形磷酸铁锂电池单体仿真模型3.1.1方形磷酸铁锂电池参数本文研究电池为SE100AHA方形磷酸铁锂电池。该电池的外观结构如图3.1所示，技术参数如表3.1所示。图3.1中航锂电SE100AHA方形磷酸铁锂电池表2-1中航锂电SE100AHA方形磷酸铁锂电池技术参数在实际工况下电池以不同的放电倍率放电时电池内核和正、负极耳分别以不同的速率产生热量。因实际工况下电池充放电倍率非常的复杂，同时也为了建模方便，我们在建模时做以下假设：电池的内核假设为一个各种混合材料混合均匀的整体且沿同种材料的同一方向导热系数相同。查阅相关文献[21]，得磷酸铁锂方形电池内部各组成部分的热力参数如下表所示：表3-2方形磷酸铁锂电池部分组成材料的热力学参数由上表可知电池内部的组成材料种类较多且热力学参数大有不同。我们应该对各个参数进行加权平均计算，求得具体的参数值。比热容各组成材料加权平均的电池比热容计算公如下：（3.1）式中m：电池单体质量，kg；Ci：电池内部第i种材料的比热容，J/(kg.K)；mi：电池内部第i种材料的质量，Kg。电池的密度将电池密度等效为内部质量与体积的比值。（3.2）式中ρi:电池内部各组分材料的密度，单位kg/m3；Vi:电池内部各组分材料的体积，m3;电池各向导热系数电池内部由各种导热系数不同的材料堆积而成，采用加权计算的方法分别计算出磷酸铁锂电池在x、y、z方向的导热系数，将电池内核等效为一种材料。其计算式子如下：（3.3）式中λx、λy、λz：电池沿x、y、z轴方向的导热系数，W/(m2.K);dxi、dyi、dzi：电池内部第i种材料层的厚度，m；λp、λn、λs：电池正极、负极、隔膜的导热系数，W/(m2.K);l、h、b：电池在x、y、z轴方向的堆叠厚度，m。利用以上式子计算得中航锂电SE100AHA方形磷酸铁锂电池材料及特性如下表所示表3-3电池材料及其特性3.1.2磷酸铁锂动力电池的建模与网格划分由表3-1可知，所研究的锂电池的尺寸为144X66X218mm，对电池进行合理简化后用SolidWorks建立电池的三维模型如图3.2，然后利用ANSYS

workbench中的meshing进行网格自动划分，电池的核心部分划分为四面体网格，正负极耳划分为六面体网格。如图3.3所示。图3.2电池三维模型图3.3电池单体网格 我们采用目前广泛使用的D.Bernardi提出的计算模型[22]来计算电池内核生热率。下式及为Bernardi生热速率模型：(3.4)式中，q：单体电池的生热率，w/m3;V：单体电池的体积，m3;I：电流，A,充电时为正，放电时为负;Uocp：开路电压，V;U：工作电压，V;T：热力学温度，K;：电池的温度系数，V/K。在上式中，有Uocp-U=IRj，所以（3.4）可以简化为下式：（3.5）由于极柱产生的热为焦耳热，采用下式计算：（3.6）式中Q为极柱的发热量，Vz为极柱的体积。I为电流，R为极柱内阻。利用上述式子计算出电池内核以及正负极柱在0.3C、0.4C、0.5C、1C倍率放电时生热率分别为：表3-4不同倍率放电时的电池生热率放电倍率电池单体电流内核生热率正极柱生热率负极柱生热率0.3C30A25866303900.4C40A36231120636O.5C50A474917509951C100A11690700239803.2电池单体温度场分析影响磷酸铁锂电池温度场分布的主要原因式电池放电倍率和电池的工作环境。本文重点对不同放电倍率和不同环境温度下电池的温度分布进行研究。3.2.1不同放电倍率放电池电池的温度场分析（1）磷酸铁锂电池0.3C放电图3.4为磷酸铁锂动力电池0.3C放电时的表面温度分布图和电池的最高和最低温度随时间的变化曲线。图3.40.3C放电时电池的温度场及电池温度变化曲线（2）磷酸铁锂电池0.4C放电图3.5为磷酸铁锂动力电池0.4C放电时的表面温度分布图和电池的最高和最低温度随时间的变化曲线。图3.50.4C放电时电池的温度场及电池温度变化曲线（3）磷酸铁锂电池0.5C放电图3.6为磷酸铁锂动力电池0.5C放电时的表面温度分布图和电池的最高和最低温度随时间的变化曲线。图3.60.5C放电时电池的温度场及电池温度变化曲线（4）磷酸铁锂电池1C放电图3.7为磷酸铁锂动力电池1C放电时的表面温度分布图和电池的最高和最低温度随时间的变化曲线。图3.71C放电时电池的温度场及电池温度变化曲线由3.4至3.7，我们可以看出随着放电倍率的增大，电池内部所产生的热量也会慢慢的增大，当电池内部产生的热量不能由自身的散热全部带出时，将会导致热量停留在内部，导致电池的温度升高。特别是1C放电结束时，电池的最高温度和内外温差已超过电池的适用范围（20℃-45℃）和允许温差（5℃）。所以要采取合理且有效的措施对电池进行热管理。3.2.2不同环境温度下电池的温度场分析本文分别将电池放置在温度为300k、305k、310k、315的环境温度下，以1C的放电倍率放电1800秒，图3.8为放电后电池的温度分布图。300k305k310k315k图3.8不同环境温度放电后电池温度分布由图3.8知，在放电倍率相同时，随着环境温度升高，电池放电结束时的最低和最高温度均明显增大；而且随着环境温度越高，单体电放电结束后池内外温差也略微变大，由此可见电池的温升是与环境温度紧密相关。磷酸铁锂电池组的液体冷却仿真4.1液体冷却理论分析在电池模组底部设置内部流道S形的冷板，采用水泵为冷却提供动力对电池进行液循环冷却。冷板的性能主要取决于内部的介质和流道的布局，采用较小当量直径的流道结构和换热系数高的冷却剂能取得较好的散热效果[22]。本文设计流道的截面形状为直径为8mm的圆，选用导热系数较高的铝作为冷板材料，其密度为2707kg/m3、比热容为892J/(kg/K)、传导率为160/(m/K)，冷却液为50%乙二醇的水溶液。液体在管道中流动时，我们通过雷诺数的大小将流动状态分为层流流动和湍流流动。层流流动时，管中流体平稳的向前流动流动，质点之间彼此不相互掺杂；而湍流时流体质点做不规则运动。其中雷诺数的计算公式为：（4.1）式中v：管内平均速度，m/s;ρ：流体密度，kg/m3;d：管内直径，m；μ：流体动力粘度系数，Pa.s；ν：运动粘度系数m2/s。动力粘度和运动粘度之间的关系式为：（4.2）流量和流速之间的关系：（4.3）式中：A：流体过流截面的面积，m2。本文所选用的液体冷却方案是将水冷板安装于电池组底部，使电池产生的热量主要通过导热的方式传给水冷板。水冷液与水冷板发生对流换热带走热量，从而达到冷却的目的。由于电池模组装在隔热的电池箱内，内部空间不大，所以空气流动性比较差，取对流换热系数为1W/（m2.k）。由于在冷却系统中，电池底部的水冷板温度与电池板的温差不大，因而忽略辐射传热。所以冷却液所带走的热量及对流换热所带的热量，即：（4.4）式中qm:冷却液质量流量，kg/s；Cp：冷却液比热容，J/(kg.K);T1：冷却液入口温度，K；T2：冷却液出口温度，K。4.2磷酸铁锂电池组液体冷却系统的数值模拟4.2.1散热器物理模型本文所选电池为方形磷酸铁锂电池，其具体尺寸为144x66x218，将冷板形状设计为长方体，内部有S形的圆形流道。将冷板布置在电池的底部，冷板上冷却液的进口和出口均布置子啊冷板的侧面。然后对电池组和冷却板进行建模，此模型包括七块电池和一块冷板。电池在1C倍率放电时的发热量为11690.21W/m3,，模型如下图所示。图4.1电池散热模型整体模型由三个部分组成：电池（发热源）、冷板和流道。（1）冷板模型冷板为分别只有一个冷却水进口和出口的S形流道，因冷却液在S形的流道中流动时，不断改变流动的方形，从而增大了扰动，使得冷却液与冷板的换热增强，进而改善了电池组的散热。冷板的具体尺寸为300x10x525（mm），内部流道的直径为8mm，模型如图4.2、4.3所示：图4.2冷板结构图图4.3流体结构图4.2.2网格的划分（1）计算模型的假设1）假设冷却液的流动为稳态、不可压缩流动。2）假定电池组与其周围空气的对流换热系数为1W/(m2K)。3)假设在入口平面上各个地方的冷却液速度、大小及方向相同。4)假设流体与固体表面没有接触热阻。（2）边界条件设置1)将流体的材质选择为水，并对其参数做一定的调整。2)冷板模型材质设置为aluminum(铝)。3)由于电池本身比较复杂，为了计算方便，设置其材质为cell，然后对其材料属性进行更改（长：6.78W/（m.k）,宽：22.63W/(m.k),高:16.1W/（m.k））。其热容为900J/(kg.K),密度为1660kg/m3，设置电池1C的发热率为11690.21W/m3。4)冷板入水口边界设置为流量入口，设置入口水温为298K,入口流速为0.1m/s。5)将流体的出口设置为开口边界。（3）模型的网格划分在workbench的mesh中进行网格划分，采用自动划分的方式划分网格。经统计网格数量为685758，对网格质量进行检测，整体网格良好，网格划分如下图所示：图4.4电池组网格模型4.2.3液冷系统数值模拟结果图4.5电池组温度云图图4.6电池组温度变化曲线从图4.5我们可以看出电池组在进水口附近，因冷却水的温度还比较低，与水冷板温差较大，所以传热比较明显所以出现了电池组的最低温度；在冷却液的出口位置，因为经过对整个电池组的传热，冷却温度已经比较高，很难再对电池组进行有效的冷却，所以电池组的最大温度出现在出水口附近。这导致进口处的温度明显低于出口处的温度，产生较大温差。由图4.6可以看出，电池开始放电时因冷却液还未充满流道，导致电池组的温度迅速上升，然后由于冷却液的冷却作用迅速趋于稳定，但是电池组最低温度为300K,最高温度为309K,差值为9℃。4.3冷板结构优化4.3.1冷板结构及模型由上面的分析可知，单通道的S形冷板冷却效果不理想，而且最高温度为309K，最大温差达到了9℃。本节在原本的长宽高300x10x525（mm）的尺寸上进行改进。将冷板改为一进两出。分析和研究改善后的而流结构对电池组散热性能的影响效果。图4.7为优化后的的入口位于冷板中央，出口位于冷板两侧的分流S形流道结构。在探究流道结构对电池组散热的影响时，为了保证结果的可比性和可靠性，应保证流道的设计满足一下条件：（1）两种冷板的尺寸都为300x10x525（mm），两种冷板流道截面直径相同，均为8mm。（2）两种结构的换热面积尽管在进口处有差异，可以认为近似相同。（3）两种结构的冷板流道相邻流道之间的距离相等，均为16mm。图4.7S形流道冷板图4.8分流S形流道冷板4.3.2仿真结果及分析将冷板放置在电池模块底部，研究对象取七个电池和一块水冷板。冷板的材料选择金属铝，其导热系数为160W/(m.k),冷却液体的流速为x方向0.6m/s,取液体进口温度为20℃；出口边界设置为自由流出，在这里将冷却液选择为乙二醇的水溶液，电池以1C倍率放电。分别使用以上两种冷板结构对电池进行冷却。4.9S形流道温度云图4.10分流S形流道温度云图4.11S形流道流道冷却液温度分布4.12S形流道流道冷却液温度布结合两种冷却液流道的温度云图和冷却液温度分布图可以看出，将冷却液的入口设计在冷板的中间使冷却液和电池组的换热更加均匀，并且电池组的最高温度由300K降到了295K,这使得电池的温差由原来的6℃降低为2℃。下降幅度较大，说明将进水口设计在中间使得电池冷却的均匀性得到明显的改善。4.3冷板液优化（1）冷却液进口速度选取进口水温为298K，控制其他变量相同，分别取冷却液的入口流速为0.1、0.3、0.5、0.8、1、1.5进行仿真实验，观察其最低、最高温度以及温差的变化。0.1m/s0.3m/s0.5m/s0.8m/s1m/s1.5m/s图4.13不同流速时的温度分布云图根据仿真结果，做流速和温差的折现图如下所示：图4.14流速和温差折线图由上图可以看出，在冷却液的进口流速小于0.5时，随着流速的增加，电池组的温差在不断减小，在流速v=0.5m/s时，温差为4.1摄氏度。随后再增加入口处的冷却液流速，电池组的温差并没有多大的改变。考虑到系统的节能问题与冷却效果的均衡性，本文选择进口速度为0.5m/s。（2）冷却液进口温度在探究冷却液的进口温度对电池内部温度均匀性的影响时，将速度设为0.5m/s。控制其他变量相同分别选择冷却液的进口水温为291K、293K、295K、298K、300K、305K。291k293k295k298k300k305k图4.15冷却液不同进口温度时的温度分布云图根据仿真结果可以的到温差的折线图如下：图4.16温差折线图由以上折线图我们不难发现随着水温的上升，电池组的最低温度和最高温度的差值整体呈下降趋势，但是冷却液入口温度上升会导致整个电池模组的工作温度上升。所以本文选择冷却液温度为25℃，比较接近环境温度，给系统带来的压力会比较小。磷酸铁锂动力电池水冷系统关键部件选型动力电池水冷系统的选型主要根基电池发热功率以及水冷板的结构对水冷系统关键部件进行参数匹配与型号选择，关键部件包括压缩机、冷凝器热交换器、泵等元器件。5.1水冷系统的组成本文所涉及水冷系统包括制冷系统、加热系统、水路循环系统。制冷系统由直流变频压缩机、微通道平行流冷凝器、膨胀阀、不锈钢板式换热器等主要部件和干燥过滤器、气液分离器等辅助部件组成，加热系统包括内置水箱式4KW加热器和控制元件，水路循环系统包括24V自流水泵，密封式循环水箱、不锈钢换热器、膨胀罐等器件[24]。图5.1热管理系统原理图水冷系统的制冷原理：当电池放热产生热量时，启动水泵将冷却液泵入电池包，冷却液进入冷却板内流道后与冷板换热，将电池热量带出。然后冷却液流入板式换热器中，在换热器里面将热量传递给制冷剂，再流出进入循环水箱内，从而形成水路驯化系统。再由水泵提供动力，一直循环对电池组进行散热。5.2及电池包结构设计5.2.1电池导热胶片设计由以往经验可知，电池单体图单体之间，以及电池单体与水冷板之间均有导热，但是若是直接接触，两物体表面之间可能会有微小凹槽，导致产生接触热阻。因此我们有必要在单体与单体之间，以及电池与单体之间加入导热绝缘材料，查阅相关文献可知导热硅胶片为最好的选择。在考虑导热胶硅片的厚度时，应该综合考虑热胶硅片的热阻问题和它的变形和破损以及对电池的均温性等问题。其中胶硅片的厚度越薄，热阻相对来说就越小，导热效果越好。但是如果太保在使用过程中容易发生变形和破损。文献[25]中指出,导热片越厚，对电池和冷板表面的均温性越好；但是导热片的增加会导致电池包的重量和体积增加，也会导致生产成本上升。因此，经多方面考量，本文选取热胶硅片厚度为2mm。其底部和侧面尺寸分别于电池尺寸保持一致，其三维模型如下图所示：图5.2导热胶硅片5.2.2电池箱体整体结构设计电池箱体的结构主要由电池、箱体、冷板、导热硅胶、螺栓、支架等组成[26]。首先根据电池的尺寸，大致设计电池箱体的尺寸，然后再考虑电池的固定、绝缘、隔热等因素的影响。将电池箱的尺寸设计为：长为550mm，宽为315mm，高为260mm。下箱体的主要结构包括底座、底架、冷板等。上下箱体通过螺栓连接。本问所选取的是7个电池构成一个电池模组进行研究。模组结构如下图所示：图5.3电池模组结构5.2.3水冷板的设计由第三章可知冷板采用圆形流道的蛇形冷却管，冷板的基本结构参数如下表所示：表5.1冷板结构基本参数设计冷板长度冷板宽度冷板厚度管道间距管道直径55031510885.3水冷系统关键部件选型水冷系统关键部件的选型主要包括换热器、压缩机、冷凝器、风机、干燥过滤器、膨胀阀、水箱、水泵等的选择。5.3.1电动压缩机参数匹配由电池的发热率可知动力电池热最大发热功率为为 Q0=1695W，由此可以确定水冷系统中的水流量：（5.1）式中:Gr：水冷系统系统水的质量流量，kg/s;Q0：水冷系统的制冷量，W;X：干度，取值0.15;γ：单位质量的水所吸收的热量，KJ/kg;hg：过热气体的比焓，KJ/kg;hz：饱和气体的比焓，KJ/kg。水的实际体积流量由下式计算：（5.2）式中：V：水流经版式换热器出口时的过热气体比容，m3/kg。在电动压缩机压缩过程中我们还应考虑可能出现泄漏的问题，引入容积参数λ，计算公式如（5.3）所示。（5.3）式中Vr：压缩机工作过程中实际运输的制冷剂气体量，m3/s。压缩机理论排量：（5.4）式中L：空调压缩机排量，cm3/r;N：为空调压缩机转速，r/min；λ：容积效率。由（5.1）~（5.4）推导得压缩机的排量计算式为：（5.5）参考文献[28]可得到公式（5.4）中的参数值，将参数带入公式可得压缩机排量为19cm3/r。经筛选和对比分析，选择压缩机如图5.4所示图5.4某型号压缩机表5.2选用的电动压缩机参数电压额定制冷量最大电流排量24V850W2465W38A21cm3/r由上表可知压缩机的制冷量2456W大于系统的最大制冷量1695W，说明该型号压缩机能满足水冷系统的制冷需求。5.3.2冷凝器参数匹配冷凝器的选型需要确定换热功率和散热面积。其中其换热功率按照式（5.6）计算，算得冷凝器的换热功率为2204W.（5.6）式中:Qk:冷凝器换热功率；K:劣化系数，k=1.3。换热面积计算式子如下所示：（5.7）式中：λk：冷凝器换热系数，W/(m2.K)；F：冷凝器换热面积，m2；ΔTk:对数平均温差，K。对于冷凝器，换热系数λk取30W/(m2.K)，对数平均温差ΔTk为25℃[29],计算得冷凝器的换热面积为3m2。5.3.3电池热交换器参数匹配电池热交换器chiller的原理是：制冷剂在换热器中蒸发吸热，带走流经热交换器的冷却液的热量，降温后的冷却液再经电池板给电池降温。本文忽略换热效率的影响，假设换热器交换的热量与电池的热负荷相等，所以电池热交换器的换热量为1695W。本文的电池的热交换器选用板式换热器，它由一层一层的的换热片累积而成，当冷却液和制冷剂从两边分别进入换热器后，使热量通过换热片由冷却液传到制冷剂上。Chiller的具体结构如下图所示：图5.5热交换器具体结构和原理本文根据所换热量的大小，以及标准型的chiller换热器的性能参数，选择片数为28的电池热交换器：表5.3chiller换热性能参数片数换热量/kW外形尺寸压降（900L/h）kPa282.698x66x602205.3.4水泵参数匹配水泵的选型依据为扬程。扬程等于流体的压力能头、动能头和位能头的增加，计算公式如（5.8）所示：（5.8）式中:H:扬程，m；P1、P2:泵进出口冷却液的压力，Pa；V1、V2：冷却液进出口流速，m/s；z1、z2：进出口高度，m。通过（5.8）的计算以及实际管道的布置，理论计算出冷区系统的扬程大约为4m，根据实际经验来说。一般实际值会大于理论值。再结合泵的实际型号，匹配了某型号的24V直流水泵，具体参数见下表：表5.3水泵能参数工作电压额定电流额定功率流量扬程压力24V0.8A约20W720L/H6米约0.6公斤5.4经济核算结合所选则的型号在相关购物网站查询可知各个部件的价位如下表所示：表5.4水冷系统主要部件价格电池板式换热器压缩机冷凝器循环水箱水泵560元840元880元248元220元150元除以上结构外本文的水冷系统还要买的配件还有水管、干燥过滤器、膨胀阀、冷却液和制冷剂等，总价钱啊大约为两百元。所以本套水冷系统的价格约为3098元。总结6.1全文总结本文以磷酸铁锂动力电池组的水冷系统为研究对象，利用ANSYS仿真的方法，分别对电池单体和电池组的放热特性、电池温差等进行分析和研究，并建立了基于环境温度动力电池组的电池热管理系统控制方法。建立单体电池模型，计算电池在不同放电倍率时的放电情况，并对不同放电倍率以及不同环境温度下自然对流的电池单体的温度场进行仿真，获得电池单体的温度分布情况。对电池组磷酸铁锂电池的水冷系统做了一系列的理论分析，确定了液冷系统的传热原理，以及系统的边界条件和导热系数等参数。并对液冷系统进行简化处理设计出了相应的水冷板。然后分别从水冷板的结构、冷却液的进口速度和温度等方面对水冷系统进行优化设计。分流S形流道有效改善了电池单体之间温度分布不均匀的问题，优化后的冷却液速度和进口温度减小了电池单体表面的温度差。在对电池进行仿真分析的基础上，针对本文所选取的磷酸铁锂动力电池，计算电池，点机以及冷却循环系统参数，设计了一套水冷系统，并对水冷系统的重要部件进行了选型。参考文献[1]辛乃龙.纯电动汽车铿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.[2]邓俊彦，周梓荣，苏小欢，电动汽车发展分析[J].科技创新导报，2011,2:219-220.[3