通过FEA提升锂离子电池热管理性能

汽车锂离子电池的性能和使用寿命与电池的工作温度有着非常直接的关系。电池热管理是电池设计时需要考虑的最主要因素，尤其是那些间接式风冷或间接式液冷的热管理系统，因为冷却介质并不与电池单元直接接触。

插电式混合动力车（PHEV）有两种工作模式，分别为电量消耗模式（CD）和电量维持模式（CS）。电池包的容量是由电量消耗模式的行驶里程决定的。在这种模式下，电池单元的荷电状态通常会从90%下降到25%（假设电池的可使用容量变化范围为65%）。如果针对乘用车来说，在电量消耗模式下电量损耗假设为400-500 W·h/km的话，那么整个电池包的容量在电量消耗模式下需要能够在15~20kW·h范围内行驶64km。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/331556.htm在电量消耗模式运行结束后，电池单元内部会产生大量的热量，这主要是由于较高的放电/充电脉冲电流及较高的电池单元内部电阻造成的，而这些也会随着电池电量的消耗不断增加。此外，因为插电式混合动力车电池仅在电量消耗模式下才可以达到满负荷工作状态，因此在电量消耗模式运行结束后电池的热量会达到最大值。电池单元内部积累的热量越多，电池的温度就会越高。

电池单元的最高温度和最大温差是影响电池耐久性和安全性的两个关键因素。为了让电池发挥最佳的性能，电池包内电池单元的工作温度应该控制在一个合理的范围内。在特定的工作环境下，电池单元内的温度分布应该尽量保持均匀，这样才能确保电池的耐久性和安全性。

提高电池的热管理性能需要深入了解电池包内电池单元在不同布局和冷却条件下的热表现。在电池包冷却系统设计方面，电池温度变化热模拟可以发挥重要的作用。AVL Powertrain Engineering公司工程师通过模拟插电式混合动力车的应用环境对采用间接式液冷热管理的锂离子电池包的热表现进行了理论研究。

工程师采用的电池包包含96个大功率电池单元，平均放置在八个模块内。电池单元采用串联的方式，整个电池包的容量为20kW·h。每个模块放在并排的结构（热对称）中。电池单元通过与冷板直接接触的铝翅片（1.5mm厚）进行冷却。

研究人员采用了一个简单的FEA模型对单冷板和双冷板冷却效果都进行了分析，还对冷板表面温度变化给电池单元温度分布造成的影响进行了研究。研究结果如下：

◆电池单元的温度分布受到冷板位置的影响非常大 ；
◆冷板内冷却液流动的方向对单冷板冷却效果的影响不明显，但是会对双冷板冷却的最大温差造成较大的影响；
◆双冷板的冷却容量是单冷板的两倍，因此在相同的电池负载下，采用双冷板进行冷却的电池最高温度比单冷板的低很多，最大温差也小很小；
◆单冷板和双冷板最大温度出现位置不同：单冷板出现在正极附近，而双冷板冷却出现在正负极之间的区域内；
◆双冷板冷却中电池接线端的温度比单冷板冷却低很多，因为电池接线端和母线产生的电阻热可以直接引导到双冷板冷却中的冷板上。而在单冷板冷却中，冷板通常放置在电池接线端对面位置。电池接线端和母线产生的电阻热只能顺着热传导路径扩撒掉。电池热阻的增加会导致接线端和母线产生的电阻热在电池内聚集，从而导致接线端子附近的温度进一步上升。(end)