摘要
锂离子电池在充放电过程中会产生大量热量，热量累积将造成电池工作温度过高或温差过大，导致其容量和寿命降低，严重时引发电池燃烧、爆炸。为了降低电池组工作温度及温差，在仔细阅读分析国内外电池散热文献的基础上，选择方形软包锂电池为研究对象，以电池组最高温度和温差为评价指标，设计了一款蜘蛛网流道冷板，采用数值模拟方法对其冷却电池组散热性能进行研究。 首先，基于电-热耦合模型，通过数值模拟方法对电池生热进行计算，分析不同放电倍率、环境温度和表面对流换热系数对单体电池温度影响，并将22块单体电池成组，研究其在空气中自然冷却的散热效果。结果表明：增大放电倍率和环境温度，电池温升显著增大，易发生热失控现象；增大表面对流换热系数，电池温升趋势逐渐降低；电池组在空气中自然对流，此时电池组最高温度和温差分别达到了74℃和18.46℃，远超过了电池安全工作温度范围。 其次，建立蜘蛛网流道冷板结构模型，对其冷却电池组散热性能进行数值模拟，在电池组3C放电倍率下，分析了冷却液流向、流量、流道夹角、槽深和壁厚等对电池温度影响。结果表明：冷却液对向流与同向流相比，对向流冷却电池温度分布更加均匀；增大流量，电池组温度显著降低，但降低趋势逐渐减缓；增大流道夹角和壁厚，电池最高温度和温差均呈下降趋势；质量流量恒定，增大流道槽深可使冷却液压降显著减小，但电池温度微弱增大。流道参数为对向流、流量0.06kg/s、夹角80°、槽深2mm和壁厚1mm时，电池组最高温度和温差分别为32.88℃和5.29℃，与自然对流相比，分别降低了41.12℃和13.17℃。 然后，对冷却液流量、夹角、槽深和壁厚进行正交优化，对最高温度和温差进行了极差分析，采用综合平衡法对比了18组仿真结果。结果表明：对最高温度的影响次序为：流量＞夹角＞壁厚＞槽深，对温差的影响次序为：流量＞夹角＞槽深＞壁厚。当流量0.06kg/s，夹角80°，槽深2mm，壁厚3mm时电池最高温度和温差分别为32.02℃和4.42℃，与优化前相比，分别降低0.86℃和0.87℃。 最后，在蜘蛛网流道合理结构参数基础上，提出在流道内设置扰流元强化传热策略，分析扰流元截面形状、排布方式、直径、高度、间距、流量和温度对电池组散热影响。结果表明：圆形扰流元综合冷却性能较好；扰流元交错排列可有效提高电池组温度分布均匀性；扰流元直径增大，电池组最高温度和温差呈“V”形变化；扰流元高度对电池组温度和压降影响较小；增大扰流元间距，电池组温度升高显著，压降明显降低；随着流量增大，扰流元流道冷却电池组最高温度和温差均比传统光滑流道显著降低，并且扰流元流道冷却在0.04kg/s时即可满足电池组工作温度要求；增大冷却液温度，电池组最高温度同步增大，而温差基本保持不变。合理设置扰流元参数为圆形、交错排列、直径6mm、高度2mm、间距15mm和流量0.04kg/s时电池组最高温度和温差分别为30.64℃和3.42℃，与传统光滑流道相比，分别降低2.61℃和2.42℃。
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