散热器结构设计论文范文

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1锂电池热物理模型

锰酸锂电池由正极集流体(Al)、正电极(LiyMn2O4)、隔膜、负电极(LixC6)、负极集流(Cu)体组成，结构原理图如图1所示。电池放电时，Li+从负电极脱离，通过隔膜，嵌入正电极；充电酸锂动力锂电池，其单体电池容量为10Ah，最大电压4.2V，长度为66mm，宽度为18mm，高度为120mm，外壳材料为铝，结构模型如图2，图中为了简化电池模型，忽略极耳影响。如图2，在直角坐标系中，按照能量守恒定律，得到单体电池的导热微分方程：锰酸锂电池在正常工作时，副反应可忽略不计，产生的热量主要由三部分组成：可逆反应热生成速率Q1，电化学反应热生成速率Q2，焦耳热生成速率Q3。单体锂电池总热生成速率[7]为：通过计算得到单体电池在1C、3C、5C放电时的发热量，如图3所示。t=0时，电池为充满电状态，由于在放电初期，电压下降幅值较大，电池发热量也快速上升，同时为了保证锂离子电池组的性能和循环使用寿命，通常将SOC控制在0.3～0.7。电池在1C、3C放电时，发热量随时间变化不大；5C放电时，电池发热量急剧上升。在进行电池组仿真分析时，取发热量相对稳定时的数值作为热源，在1C、3C、5C的发热量分别为10000、53000、115000W/m3。

2液体冷却方式下锂电池组散热器设计及仿真分析

2.1锂电池组散热器设计图4所示为液体冷却散热器，取5个单体电池为一个电池组，电池组之间的间隔为冷板，材料为铝。为了降低电池表面中心位置的温度，在冷板中间设计两个对称的液体通道，入口通道和出口通道的尺寸为142mm×20mm×20mm，冷板的尺寸为8mm×66mm×120mm，流体通道的直径为6mm，考虑到电池组两端的冷板所吸收的热量较少，设置两端的液体通道直径相比其他的小1mm。

2.2仿真分析在模型网格划分时，网格模型采用四面体结构网格，流体区域进行细化处理，入口通道网格的最小尺寸为0.515mm，最大尺寸为4.76mm，整个模型的网格数为585248，如图5所示。在计算过程中，把液体流体看作不可压缩的流体，忽略单体电池的热变形。

2.2.1电池温度分布入口质量流量为0.8g/s，外界环境温度和流体入口温度为298.15K时，电池组1C、3C、5C放电的温度分布如图6、速度分布如图7所示。从图中可以看出液体从通道流入后，经过冷板通道，流体流速增大，带走电池传递给冷板的热量。流体通道内的流速较为均匀，电池组两端的冷板流速较低，但所吸收的热量较少，所以单体电池之间温差不大，从温度场分布可以看出单体电池间温度一致性很好。电池在1C、3C放电时，电池的最高温度分别为300.92、312.76K，但在5C放电时，电池温度达到了329.78K，内外温差达到了7.12℃，可见放电倍率越大，电池组温度越高。同时还可以看出单体电池在沿X轴方向的温度梯度大于Y轴和Z轴方向的温度梯度。

2.2.2入口流体温度变化对电池温度的影响入口质量流量为0.8g/s，外界环境温度为298.15K时，不同流体入口温度所对应的电池组在1C、3C、5C放电的最高温度如图8所示，其中入口温度为298.15～308.15K。图8显示随着流体入口温度的上升，电池最高温度都相应变大，冷却效果越差，在入口流体温度下降1℃时，相应的电池最高温度降低0.99℃。但入口温度要下降，必然要使换热器的换热性能加强，所以整个散热器的功耗也相应变大，因此要选择合理的入口温度。

2.2.3流量变化对电池温度的影响不同入口质量流量，外界环境温度和流体入口温度为298.15K时，电池组在1C、3C、5C放电的最高温度如图9所示。电池组1C放电时，由于发热量较小，入口流量的变化对电池组的温度影响不大，曲线趋于水平。电池组3C放电，流量从0.8g/s到2.0g/s时，电池最高温度下降比较快，大于2.0g/s时，温度变化缓慢。电池组5C放电，流量小于2.4g/s时，随着流量的增大，温度迅速降低；在大于2.4g/s时，冷却效果不太明显，但曲线的变化率仍然要比1C、3C时大；在流量从0.8g/s增大到1.2g/s时，1C、3C、5C的最高温度分别下降了1.22、4.45、9.18℃。可见放电倍率越大时，流量的变化对温度的影响越大。因此采用液体冷却方法，能使电池工作在最佳的温度范围内，特别是电池在大倍率放电时，通过改变流体入口流量，能有效控制电池的温度。从入口处开始对5个单体电池编号为1、2、3、4、5，表1和表2分别为不同放电倍率及不同入口质量流量条件下单体电池的最高温度和单体电池的内外温差。从表1中可以看出，在相同放电倍率下，增大入口质量流量可以有效降低电池的温度，而且各单体电池之间的最高温度总体较为均匀，电池之间最高温度的温差在1℃以内。电池在5C放电，入口流量为4g/s时，单体电池2的温度最高(307.67K)，最低的为单体电池5(307.29K)，最大温差0.38K，可见单体电池之间温度一致性较好。从表2可以看出各单体电池的内外温度差，在小倍率放电时，单体电池间的内外温差很小，随着放电倍率增大，温差也增大。入口质量流量为0.8g/s，电池组1C放电时，2号电池的内外温差为0.63℃；在3C放电时，2号电池的内外温差为3.31℃；5C放电时，2号电池的内外温差达到7.22℃，这对电池性能和寿命有一定的影响，可见放电倍率越大，电池内外温差也越大。同时还显示，随着质量流量的增大，电池组的内外温差有所下降，在5C放电时，能够将最大的温差控制在5℃以内，但水泵所消耗的能量也相应增大，因此可以通过有效的热管理策略来控制电池的温差，同时泵所消耗的能量最小。若把冷板的材料换成铜，在5C放电、入口流量为2.4g/s时，单体电池2号的最大温差由5.47℃降到4.65℃，其电池的温度为311.74K，电池的散热性能有所改善。

3结论

(1)电池在在放电过程中，随着放电倍率的增大，电池的发热量也迅速增大，在小倍率放电时，发热量变化不大，在5C放电时，电池的发热量快速上升。(2)采用液体冷却方法能有效降低电池表面的温度，电池组之间最大温度的温差始终在1℃以内，均匀性较好；然而单体电池内外温差较大，特别是在大倍率放电且流体入口质量小时，最大温差达到了7.16℃，这对电池循环寿命有一定影响。(3)电池组在大倍率放电时，单个电池内外温差也大，需要强有效的冷却方案，可以通过增大质量流量来降低温度，从仿真结果可以看出，质量流量越大，温度下降越快，温差也越小。(4)降低液体温度，也可以有效降低电池组的温度，然而散热器本身功耗也相应的增大，因此需要有效的热管理策略，控制入口流体温度和质量流量，使得电池工作在合理的温度范围内，同时散热器的能耗最小。

作者：邓元望张上安钟俊夫王兵杰单位：湖南大学机械与运载学院