一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真
电动汽车动力电池冷却系统的设计与优化
电动汽车动力电池冷却系统的设计与优化随着人们对环境保护与可持续发展的重视，电动汽车作为一种清洁、高效的交通工具，正逐渐成为人们关注的焦点。
动力电池作为电动汽车的核心部件之一，其性能和寿命直接影响着电动汽车的使用体验和经济效益。
而动力电池的工作温度是影响其性能和寿命的重要因素之一。
因此，设计一个有效的动力电池冷却系统非常重要。
动力电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时降温，不仅会影响电池的寿命，还会引发安全隐患。
因此，电动汽车动力电池冷却系统的设计与优化显得至关重要。
本文将从两个方面进行讨论：动力电池冷却系统的设计和冷却系统的优化。
一、动力电池冷却系统的设计1. 冷却系统的类型目前，常见的动力电池冷却系统包括液冷系统和空气冷却系统。
液冷系统采用导热介质循环冷却电池，并通过冷却器将热量散发到空气中。
空气冷却系统则是通过风扇将冷却空气吹入电池组，从而降低电池的温度。
根据不同的应用场景和需求，可以选择合适的冷却系统。
2. 冷却介质的选择冷却系统的介质是影响系统性能和效果的重要因素。
传统的液冷系统通常使用水作为导热介质，但水的密度较大，导致冷却系统的重量增加。
近年来，一些新型的液态介质，如乙二醇和液态金属，逐渐应用在电动汽车中。
这些介质具有较高的导热性能和较低的密度，可以提高冷却系统的效率。
3. 冷却系统的结构冷却系统的结构设计需要兼顾热量传递效果和系统的安全性。
一种常见的设计是将电池组分成若干小单元，每个单元配备一个独立的冷却模块。
这样可以提高散热效率，同时在某个单元发生故障时不会对整个电池组造成影响。
此外，还可以在冷却系统中加入温度传感器和控制装置，实现智能化的温度控制。
二、冷却系统的优化1. 优化冷却介质的流动路径冷却介质的流动路径对冷却效果有很大的影响。
通常情况下，冷却介质应该能够充分覆盖电池的所有部分，特别是热点区域。
通过合理设计冷却流道和散热片，可以增加冷却介质与电池之间的接触面积，最大限度地提高热量传递效果。
某车用锂离子动力电池组冷却系统仿真及优化
某车用锂离子动力电池组冷却系统仿真及优化徐志龙;朱晓琼;田玉冬;吴旭陵;余万【摘要】本文研究了纯电动汽车在90 km/h匀速行驶条件下锂离子电池组的温度分布,以及基于实验结果的冷却系统的实验温度分布和优化.首先,利用能量守恒定律和傅立叶导热定律,建立了电池组传热过程的简化数学模型,并利用FLUENT将其转化为有限元模型;其次,建立边界条件和负载条件,求解有限元模型,预测温度分布;再次,在电池模组水平进行热管理台架试验,得到真实的温度分布数据,与仿真结果具有较高的一致性,并根据试验数据对仿真模型进行了进一步标定,提高了有限元模型的精度;最后,经过仿真,对冷却系统进行了优化设计,以达到设计目标.【期刊名称】《三峡大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(040)006【总页数】5页(P79-83)【关键词】热管理实验;冷却系统;锂离子电池组【作者】徐志龙;朱晓琼;田玉冬;吴旭陵;余万【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海 200093;上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海200940;上海理工大学机械工程学院,上海 200093;上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心,上海200940;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌 443002【正文语种】中文【中图分类】TM911;U463动力电池是电动汽车的心脏，是电动汽车的动力之源[1-2]．随着国家相关政策对电动汽车续航里程、安全性能和电池能量密度要求的提升，对电动汽车的热管理技术提出了越来越严峻的挑战[3-4]．常用的动力电池散热方式有空气冷却，液体冷却，制冷剂直接冷却以及相变材料冷却等．空气冷却结构简单，成本低，但散热性能较差；液体冷却技术成熟，冷却效果较好，目前应用广泛；直接冷却效果较好，但制冷剂分配较难，目前应用较少；相变材料冷却成本较高，目前应用尚不普及[5-8]．本文采用液体冷却方式．以某电芯厂生产的动力电池模组为研究对象，通过仿真分析了水平路面90 km/h 匀速工况下电池的发热量以及温度场的分布，并结合试验研究了电池测试过程中的温感布置方式和实测电芯温度，并基于实验结果，对电池冷却系统进行了优化，改善了散热效果，加快了此种型号电池箱市场化的进程．1 电池箱结构及其模型建立1.1 电池箱体结构研究对象为某公司生产的三元锂离子电池，电池箱体为L型，下箱体内采用集成式液冷板，其上安装4个模组，如图1所示．电池成组相关参数见表1．图1 锂离子电池箱结构示意图表1 某车用锂离子电池箱技术参数模组数量电芯数量单电芯电压/V成组方式额定电压/V额定电量/Ah箱体材质4个96个3.72P96S35526铸铝每个模组都由多层材料组成，依次为导热硅胶垫、电芯、框架泡棉、电芯、导热硅胶垫、铝制导热片．其中框架泡棉主要起固定和缓冲作用，铝导热片主要用于增强模组的纵向导热能力，导热硅胶垫用于使电芯和铝导热片紧密接触．1.2 电池组的能量平衡由傅里叶定律和能量守恒，可得出电池的三维非稳态导热微分方程为[9]：(1)式中，ρ为密度，τ为时间，c为比热容，Φ为内热源强度，x、y、z分别为x、y、z三个方向的热导率．对于动力电池而言，其内热源的生成热的大小是求解温度场分布的关键．锂离子电池的最佳工作温度为20～45℃，电池内部的产热量主要包括：焦耳热Qj、极化热Qp、反应热Qr和副反应热Qs[10]，即Q=Qj+Qp+Qr+Qs (2)由于锂离子电池只有在过充或过放的情况下才会发生副反应，在实际工作过程中会避免此种现象的发生，因此Qs可以忽略不计[11]．电池内部的焦耳热是电池产热的主要来源，由焦耳定律可得：Qj=I2Re (3)式中，I为充放电过程中的电流大小(A)；Re为电池的内阻(Ω)．锂离子电池在反应过程中会伴随着锂离子的移动，在此过程中会产生(放电)或吸收(充电)大量的热量，Qr可以通过式(4)计算：(4)式中，N表示电池数量；I为当前工况下的电流(A)；m为电极质量(g)；M为摩尔质量(g/mol)；q表示电化学反应(J)；F为法拉第常数，96 484.5 C/mol．锂离子电池在一定倍率充放电的过程中会产生极化内阻，当电流通过时会产生极化热，其计算公式为：Qp=I2Rp=I2(RΩ+Rn+Rd) (5)式中，Rp为极化内阻阻值，RΩ为欧姆极化内阻，Rn为浓差极化造成的内阻，Rd为电化学极化内阻，单位均为Ω．1.3 电池组的有限元模型为缩短计算时间、保证网格质量，在不影响计算精度的前提下，在网格划分前对电池模组进行适当的简化处理，模组仅保留电芯、导热垫和导热翅片，采用Hypermesh将模组划分为六面体网格，网格数量为608万个．电池箱中各材料属性见表2．表2 电池箱材料属性材料材质密度/(kg·m-3)比热容/(J·(kg·K)-1)导热率/(W·(m·K)-1)动力粘度/(N·s·m-2)冷却液乙二醇水溶液(质量分数50%)1071.133000.3840.00339导热硅胶垫硅胶120013002电芯-140014001/32.5/32.5导热铝板AL60612700896167导热铜板铜8900397396端板AL60612700896167绝缘板ABS110014000.25导热胶水有机硅150014001为简化计算过程，假定电池箱中每块方型电芯的工作性能一致，不考虑电池组因受热而导致的变形，且流体为不可压缩物质．利用FLUENT软件进行仿真分析，冷却液的流动类型选择标准k-ε湍流模型，将流体和固体相接触的界面设置为耦合传热边界．设定电动汽车以90 km/h的速度在水平道路上匀速行驶，环境温度30℃，冷却液入口温度12℃，流量12 L/min．单电芯经实验测得发热量为10.5 W，xx、yy、zz 3个方向的导热系数分别为1 W/(m·K)，32.5 W/(m·K)和32.5 W/(m·K)．1.4 实验方案实验的电池箱共包含4个电池模组，每个模组包含24块电芯，电芯按照图2所示箭头方向进行编号．模组1、2从左至右电芯编号为从1～24；模组3、4从上到下电芯编号为1～24．每块模组选择其中3块电芯检测温度，每个电芯上布置6个监测点，监测点位置分布如图3所示．图2 电芯编号示意图图3 电芯监测点位置分布图温感布点共102个，分为电芯级、模组级、水冷板和pack级，具体温感分布数量及布点电芯编号见表3．表3 温感分布数量类别区域测点数量温感编号备注电芯模组118T1～T18电芯8、13、24模组218T19～T36电芯1、12、20模组318T37～T54电芯3、8、19模组418T55～T72电芯2、11、21模组模组表面和侧面8T73～T80每个模组2个,位于模组上表面及侧面BUSBAR12T81～T92每个模组各3个水冷板水冷板5T93～T97Pack级上箱体和电池包内空气温度3T98～T100上箱体2个测点水温进出口冷却液温度2T101～T102总计102为验证数学模型和仿真结果的准确性，在3种工况下进行了实验验证．实验中车速为90 km/h，冷却液入口温度为12℃．实验1中环境温度为20℃，水泵流量为12 L/min，此时压缩机不工作，冷却液在冷却系统中自循环，也即冷却液吸收电池产生的热量，在水冷板中未与制冷剂换热，冷却液未被冷却．实验2、3中环境温度为30℃，压缩机转速为1 500 r/min，水泵流量分别为6.7 L/min和12L/min．2 结果与分析2.1 电池组温度场仿真结果仿真计算时在每个模组上分别设置1个监测点，共4个，用以监测电芯的温度变化，电池各模组温度温升曲线如图4所示．图4 电池组各模组温升曲线由仿真结果可得，电池组的最高温度为49.2℃，最低温度为34.8℃，最大温差为14.4℃，4个监测点的温度分别为：38.6℃、44.9℃、43.7℃、49.2℃，电池组温度均匀性较差．电池组1与2的温度场分布基本相同，电池组3与4的温度场分布基本相同．2.2 电池组温升的实验结果图5给出了在不同实验工况下的电芯监测点的温升曲线．从图5可以发现，在不同的实验工况下，电芯的温升有较大的分别．在3种实验条件下，电芯的最高温度分别为48.6℃、47.6℃和47.2℃，最低温度分别为36.8℃、36.5℃和36.0℃．对比实验1、3可发现当液冷系统冷却液工作但压缩机侧不工作时电芯温升范围较大为18～29.8℃，压缩机侧工作时电芯温升较小为7.7～18.8℃，可见液冷系统及制冷剂侧工作状态对整个电池系统散热效果较明显；对比实验1、3可发现，虽然水冷系统能降低电池的整体温升，但是对于降低电芯间的温差效果不明显；对比实验2、3可发现，冷却液流量变动对电池散热系统影响不明显．图5 试验温升记录曲线2.3 电池组温升的实验结果与仿真结果的对比表4给出了电池组的最高温度、最低温度、4个监测点的温度的实验值和仿真值．通过仿真与实验对比可得，仿真温度与试验温度存在一定程度的误差，但是温升趋势基本吻合，试验与仿真之间产生的误差是由于在仿真时将单体电池视为均匀的生热源，没有考虑到放电时单体电池内各部位由于随着荷电状态的变化其化学反应产生的热量也不同，即单体电池在一定程度上具有温度不均匀性，因此势必会产生一定的误差．但总体而言，采用本文的仿真计算方法所得的结果基本符合实际情况．表4 仿真与实验结果对比表 (单位：℃)对比参数最高温度最低温度监测点1温度监测点2温度监测点3温度监测点4温度仿真49.234.838.644.943.749.2实验50.337.1394442.950.3误差-1.1-2.3-0.40.90.8-1.1误差百分比/%-2.19-6.20-1.032.051.86-2.193 电池箱体结构优化为获得更好的散热效果，本文对电池箱体进行了优化，给出了3种方案．3.1 水冷板流道优化由以上仿真和实验结果可得，采用液冷效果较为明显，在90 km/h匀速工况下电芯温度均能维持在50℃以内，但是电芯之间的温差较大．电池箱体采用L型结构，冷却流道内部及流向如图6(a)所示．目前所采用的流道结构无法使冷却液流过全部区域，经过对仿真和试验数据的分析，这些区域温差较大．为提高电芯与电芯之间以及为模组间的温度一致性，将对液冷板的流道进行结构优化．考虑到电池箱体轻量化的要求，暂不能对电池箱体进行过大更改，优化将在现有箱体结构的基础上进行，将最下方的主流道分解成3个小流道，使冷却液能够逐个流过整个箱体，如图6(b)所示．图6 水冷板流道示意图3.2 导热材料的优化由前所述，电池组中每两块电芯放置一块0.5 mm的铝导热片和一块0.3 mm的硅胶垫，用于将电芯热量更快地传至液冷板，简称优化方案1．仿真和试验结果表明电芯上下温差较大，热量从电芯上部传至液冷板的环节热阻较大．为了减小电芯上下温差，本文拟通过减小该环节热阻来进一步优化传热路径．模组其他结构不变，采用导热系数比铝大的相同厚度铜导热垫片，优化结构简称优化方案2，将方案1和方案2耦合后的结构简称优化方案3．3.3 优化结果分析表5给出了优化后的电池组的温升情况．表5 优化方案与原始方案对比表对比参数最高温度最低温度最大温差监测点1温度监测点2温度监测点3温度监测点4温度压降/kPa原始方案49.234.814.438.644.943.749.253.6优化方案144.435.19.338.544.438.644.448.8优化方案243.230.712.531.037.237.243.153.6优化方案339.331.08.331.538.632.039.348.8从表5可以发现：优化方案1的最大温差为9.3℃，较原始方案下降了5.1℃，说明此优化方案提高了电池间的温度均匀性；优化方案1最高温度较原始方案下降了4.8℃，最低温度上升了0.3℃，说明方案1的流道结构较原始方案带走了更多的热量，在控制电池组温升上效果比原始方案显著；优化后的流道采用多通道，并且在流道拐角处的直角改变成圆弧形，降低了沿程阻力，减少了能量消耗；由于优化后的流道流经全部模组区域，所以监测点3、4的温度显著下降，提高了模组间的温度均匀性．优化方案2最大温差为12.5℃，与原始方案相比整体温差下降不太明显；同时各个电芯竖直方向上的温差较原始方案大大降低，这是因为导热系数更高的铜导热片降低了竖直方向上热阻的原因．3.4 优化后水冷板和铜导热片的耦合优化方案1降低了模组的整体温差，但对改善电池单元竖直方向上温度均匀性效果不明显，优化方案2降低了竖直方向上的热阻，从而提高了该方向上的温度均匀性．本节考虑将方案1和方案2进行耦合．耦合后的结构简称优化方案3．优化模型后的仿真分析时的环境温度、初始边界条件与优化前的仿真参数完全一致．结果表明采用方案3后，电池组的最高温度和最低温度分别为39.3℃、31℃，最大温差为8.3℃．较方案1、2冷却效果以及电池单元间的温度均匀性有了较大提高，冷却系统压降也有所降低，该系统已满足电动汽车电池对温度的要求．4 结论1)本文通过实验得到了电动汽车在90 km/h匀速行驶工况下不同环境温度下的温升曲线；研究发现未进行散热系统优化的电池箱温升较大，电芯之间温度均匀性较差．2)通过对实验3工况下的仿真对比，验证了实验的准确性以及仿真的精度．3)通过对增加分支流道、更换铜导热垫片优化，以及两者耦合的优化方案的仿真，分析了不同方案的优化效果，为工程优化提供了参考方向．参考文献：【相关文献】[1] Zhou Xuesong． The 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新能源汽车电池冷却系统设计与优化
新能源汽车电池冷却系统设计与优化随着环保事业的兴起和汽车行业的不断发展，新能源汽车已经成为了汽车产业的热点之一，其中电动汽车更是吸引了众多的关注。
在电动汽车中，电池是最核心的零件之一，而电池的冷却系统又是电池保持优良性能的关键所在。
本文将从新能源汽车电池冷却系统的角度，探讨电池冷却系统的设计与优化。
1. 电池冷却系统的重要性电动汽车主要依靠电池来储存电能，提供动力。
在电池工作时，会产生大量的热量，一旦电池温度过高，不仅会降低电池寿命，甚至会引起火灾等严重事故。
因此，电池冷却系统被认为是电动汽车的核心保障。
2. 电池冷却系统的原理电池冷却系统主要有两种工作原理，一种是空气冷却，另一种是液体冷却。
空气冷却方式通常是通过车体内部气流将电池产生的热量带走，而液体冷却方式则是通过散热器将液体循环进入电池内部，达到冷却效果。
在新能源汽车中，由于电池所产生的热量巨大，通常采用液体冷却的方式进行散热。
3. 电池冷却系统的设计要点首先，为了确保电池散热效果最优，冷却系统设计的散热器必须要在电池指定温度下保证散热的最大功率。
其次，电池冷却系统的设计要充分考虑到电池的体积和外形，使得冷却系统可以精确地贴合电池的外形，避免产生电池中心温度不均和温度过高的情况。
最后，冷却系统的结构必须要实现压力平衡以避免冷却液泄漏，同时也需要具备结构可靠、易于维护等特点。
4. 电池冷却系统的优化建议为了优化电池冷却系统的设计，可以从以下几个方面入手：首先，合理选择冷却流体，以匹配电动汽车内部环境的温度范围。
其次，优化散热器的设计，减少电池内部温度的不均匀情况。
第三，通过加入热量传递器件，提高液体循环速度，进一步提高散热效率。
另外，合理地增加冷却系统的管路长度以及降低管路的压力损失，可以进一步提高冷却系统的效率。
5. 总结综上所述，电池冷却系统设计与优化是新能源汽车电池的核心保障，其设计有许多关键点。
只有合理地设计出电池冷却系统并不断优化，才能保持电池的最佳性能，达到电池寿命最大化和安全性能的最佳效果。
新能源汽车电池冷却系统仿真与优化研究
新能源汽车电池冷却系统仿真与优化研究随着环保意识的增强和气候变化的威胁，全球对新能源汽车的需求不断增加。
而电池是新能源汽车的核心组件之一，其性能和寿命直接影响着整个汽车的运行和使用寿命。
在电池的使用过程中，容易产生大量的热量，如果不能及时有效地冷却，会导致电池的性能退化甚至损坏，因此电池冷却系统的设计和优化成为十分重要的研究课题。
电池冷却系统的仿真与优化研究旨在通过数值模拟和优化算法，提高电池冷却系统的性能，并在实际应用中有效地解决电池过热问题。
在仿真研究中，可以采用计算流体动力学（CFD）和热传导方程等模型，对电池冷却系统中的流场和温度分布进行模拟和分析。
通过这些仿真结果，可以评估冷却系统的冷却效果和能耗，并分析不同参数对系统性能的影响。
优化研究是在仿真的基础上，通过设计合适的参数和结构，以最大限度地提高系统的冷却效果和能耗效率。
在电池冷却系统的优化中，可以利用数学优化算法如遗传算法、粒子群优化算法等，寻找最优的参数组合。
同时，还可以通过多目标优化方法，综合考虑冷却效果与能耗之间的权衡关系，从而得到最优的系统设计方案。
在实际应用中，电池冷却系统的性能主要受到以下几个方面的影响：冷却剂的选择、冷却剂流速、冷却剂流动路径以及冷却系统的结构等。
新能源汽车电池冷却系统需要能够在不同工况下保持恒定的温度，同时满足电池的散热需求。
因此，在仿真和优化研究中，需要对这些因素进行详细分析，以找到最佳的方案。
另外，新能源汽车电池冷却系统的仿真与优化研究还需要考虑实际生产和应用的可行性。
在设计过程中，需要综合考虑成本、可靠性和维护方便性等因素，以确保优化方案的实际可行性。
同时，还需要与实际生产企业和汽车制造商密切合作，了解实际应用中的需求和限制，以达到更好的应用效果。
综上所述，新能源汽车电池冷却系统的仿真与优化研究是提高电池性能和使用寿命的关键所在。
通过数值模拟和优化算法，能够有效提高冷却效果和能耗效率，在实际应用中解决电池过热问题。
高性能电动汽车动力电池冷却系统的设计与实现
高性能电动汽车动力电池冷却系统的设计与实现随着电动汽车的普及，动力电池冷却系统的设计与实现变得至关重要。
高性能电动汽车需要能够提供持续、高功率的电池系统，而冷却系统在这一过程中起到了关键的作用。
本文将探讨高性能电动汽车动力电池冷却系统的设计原理和实现方法。
一、动力电池冷却系统的基本原理动力电池冷却系统的设计基于以下几个基本原理：1. 热传导：动力电池在高功率运行时会产生大量的热量，如果无法及时进行散热，电池温度会升高，从而影响电池性能和寿命。
因此，热传导是冷却系统最基本的原理之一。
2. 流体力学：冷却系统需要通过循环流体实现热量的传递与散发。
流体的流动和传热性能对冷却系统的效果有着重要的影响。
3. 温度控制：动力电池的工作温度应处于一个较低且稳定的范围内，以确保电池的性能和寿命。
冷却系统需要对动力电池的温度进行实时监测和控制。
二、冷却系统的设计要点针对高性能电动汽车，冷却系统的设计需要考虑以下几个要点：1. 散热介质的选择：散热介质主要有液冷和气冷两种方式。
对于高性能电动汽车，液冷系统更为常用。
在液冷系统中，冷却介质通常是水或者水和醇的混合物。
2. 散热器的设计：散热器是冷却系统中的关键组件，其设计应考虑到散热效果、压降和体积重量等因素。
同时，散热器材质的选择也很重要，一般采用具有良好导热性能和耐腐蚀性的铝合金。
3. 循环水泵的选择：冷却系统需要通过水泵将冷却介质循环供应到动力电池，水泵的选择应充分考虑到流量和扬程等参数，以满足电池的散热需求。
4. 温度控制系统：温度控制系统能够实时监测动力电池的温度，并根据设定值调整冷却系统的工作状态。
温度控制系统一般由传感器、控制器和执行机构组成，能够实现高效的温度控制。
三、冷却系统的实现方法冷却系统的实现方法可以分为直接冷却和间接冷却两种：1. 直接冷却：直接冷却是指冷却介质直接与动力电池接触进行热交换。
这种方法可以提供较高的冷却效果，但与电池直接接触可能导致介质污染和电池腐蚀等问题。
电动汽车电池包冷却系统设计与优化
电动汽车电池包冷却系统设计与优化随着全球对环境保护的重视程度不断提高，电动汽车作为一种清洁能源交通工具受到越来越多的关注和推广。
而作为电动汽车的核心部件之一，电池包的设计与优化是保证电动汽车性能、续航里程和安全性的关键因素之一。
其中，电池包冷却系统的设计与优化尤为重要。
电池包冷却系统的主要目的是控制电池包内部的温度，保持在一个合理的范围内，从而提高电池的寿命和性能稳定性。
如果电池过热，会导致电池寿命缩短、性能下降甚至发生爆炸等严重安全问题；而过低的温度则会降低电池性能、减少续航里程。
因此，冷却系统的设计与优化对于电动汽车的可靠性和性能至关重要。
首先，冷却系统的设计需要考虑电池包的整体结构。
电池包通常由多个电池单体组成，并通过连接片等组件进行串联或并联。
在设计过程中，需要合理布置电池单体的位置和数量，以保证冷却流体能够充分覆盖每个电池单体，避免因温度不均匀导致局部热点的出现。
其次，冷却系统的设计还需要根据电池包的功率和工作温度范围选择合适的冷却介质。
常见的冷却介质包括水、空气和热管等。
水冷却系统具有散热效率高、温度控制精度高等优点，但需要考虑冷却剂的处理和泄漏等问题；空气冷却系统则简化了冷却介质的处理问题，但散热效率相对较低；热管则能够在热导率和散热效率上取得平衡，但成本相对较高。
此外，冷却系统的设计还需要考虑外部环境和工况的因素。
电动汽车在不同的外部环境温度和路况下运行，因此冷却系统需要能够适应不同的工作温度范围和环境条件。
同时，在高温环境下，冷却系统也需要能够满足快速散热的需求，避免电池过热。
针对电池包冷却系统的设计与优化，还可以考虑一些创新的技术手段。
例如，利用相变材料在吸收和释放热量时的相变过程，可以实现在较宽的温度范围内精确控制电池的温度。
此外，通过优化散热结构和流体动力学设计，可以进一步提高冷却系统的散热效率，减少能量损失。
在选定了合适的冷却系统设计后，还需要对其进行系统级的优化。
例如，通过模拟和实验手段，可以对冷却系统的参数进行优化，以提高冷却效果和降低能耗。
新能源汽车永磁同步电机冷却系统的优化设计与仿真
新能源汽车永磁同步电机冷却系统的优化设计与仿真摘要：本文提出了基于热管技术使端部绕组热量快速导出的新能源汽车电机散热方案。
对热管布置、热管与电机的连接方式等关键部分进行了设计和优化。
设计了利用电子灌封胶与端部绕组结合的装备工艺。
并利用ANSYS Fluent对原电机和基于微曲式热管的电机进行了有限元模型建立和温度场仿真计算。
研究发现，永磁同步电机的高温区域主要位于绕组的端部，基于热管的冷却系统设计能够有效的降低电机绕组温升, 为永磁同步电机的散热设计提供了新的思路。
关键词：热管电机水冷系统优化设计仿真1 引言电机作为新能源汽车的核心零部件，其性能直接影响整车的性能优劣[1]。
永磁同步电机具有低振动噪声、良好的转矩平稳性、高控制精度、高工作效率等优点，被国内外专家普遍认为是最具竞争力的电动汽车驱动电机之一[2]。
目前用于电动汽车，多采用水冷机壳的形式散热。
随着大功率电机的不断轻量化，如何在有限的空间内提高电机的散热能力，成为冷却系统设计工作中的巨大挑战。
2 传统电机的结构与散热分析本文的研究对象为某公司生产的MD15型新能源汽车永磁同步电机，其主要由水冷机壳、定子铁芯、定子线圈、端盖、轴承、电机轴、转子（转子铁芯及磁钢）等组成。
经过计算可以得知，永磁同步电机的发热主要来源于定子绕组和定子铁芯，他们产生的热量经由定子铁芯传递到水冷机壳，再由冷却水带走。
端部绕组的发热量占总发热量的30%—40%。
但端部绕组的散热环境非常恶劣，其产生的热量只是先传递到槽间绕组，再经过定子铁芯传递到机壳；另外，端部绕组由多相绕组盘绕而成，各相绕组之间均放置的绝缘纸，加上绕组经过浸漆处理后充满导热能力差的绝缘漆，导致端部绕组沿电机轴向的传热能力非常差，因此越靠近两端，绕组的温度越高。
3 基于热管的散热结构优化设计及散热分析将端部绕组热量导出的基本思路是：端部绕组的热量经过中间传热介质导出，传递到端盖后，再由端盖传递到机壳，最终由冷却水带走从而实现端部绕组的冷却。
某纯电动乘用车电池包液冷系统设计及热仿真分析
类型 软包电池 导热硅胶
铝板 乙二醇
密度/(kg/n?)
2 245 1 820 2 707 1 111
比热容/ (J/kgK) 1280 1200 892 3 465
导热系数/ （W/nrK） Kx=0.5,Ky=16,Kz^l6
1 160 0.384
流体模型设置三维定常不可压缩模型，同时打开能量方 程。冷却液流过箱体底部，通过热传递形式将电池在充放电 过程中产生的热量带走。设置进水口流量分别为10 L/min、 12 L/min，常温25 °C,冷却液25 °C, 1 C放电3240 s （剩余 10%SOC），进行仿真分析。
Design and Thermal Simulation Analysis of Liquid Cooling System for Battery Pack of a Pure Electric Passenger Car
YANG Lele, LIU Hailuo, XIN Zhaofeng, AN Zhanwang, LIU Shuai
TCeomntpouerra3ture
图6 10 L/min流量下冷却液温度云图
图5为10 L/min流量下电池温度云图，图6为10 L/min 流量下冷却液温度云图。从图中可以看出电池顶部为最高温 度位置，温度达到38.4 C，电池底部为最低温度位置，温度 为29.4 C,顶底最大温差为9 C，出现的原因是液冷板位于 底部，电池底部接触液冷板，底部冷却效果好，顶部冷却效 果差。进出水口温差1.2 C。 2.2 12 L/min流量下的仿真分析
[2] 任冰禹•动力锂电池组液冷散热仿真J] •汽车实用技术,2017(13): 123-124+153.
电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真
电动汽车动力锂电池散热结构设计与冷却系统仿真摘要：锂离子电池在诸多方面性能上都有优点，所以其在新能源汽车上得到了广泛运用。
但怎样把电池在使用过程当中产生大量的热量散发出去，是一个不能回避的问题。
假如电池温升过高，不仅会对电池使用性能和寿命产生一定影响，还会引起一些安全方面的问题。
关键词：新能源汽车；锂电池；热管理；系统散热性能引言：动力电池按它的应用分成能量型电池和功率型电池两大类。
能量型的电池主要以高能量密度为主要特点，主要用在高能量输出蓄电池。
功率型的电池指用高功率密度为主要特点，主要用在瞬间高功率输出和输入的蓄电池。
实际上这两种电池并没有严格区分开来。
一、动力电池的基本构成以及优势特征分析动力锂电池是新能源汽车的一大动力源泉，在新能源汽车当中应用动力锂电池可以有效降低成本，让新能源汽车发展前景更为广阔。
动力锂电池基本构成主要有铝塑复合膜、导电剂、粘结剂、极耳、电解液、隔膜和正极材料等等。
在这其中，正负极材料和电解液以及隔膜最重要，它们构成动力锂离子的一个核心部分。
动力锂电池充电过程当中，电池的正极方向会有锂离子，锂离子在电解液当中不断运动直到到达负极，而后锂离子会附着到负极碳层的微孔之中，从而达到提高充电容量效果。
在动力锂电池放电的过程当中，电池内部会进行和上述过程相反的一个反应。
和普通电池相比，锂离子的电池放电容量较高，所以，锂离子电池能够在新能源汽车当中发挥较大优势。
动力锂离子电池主要缺点有：首先，内部的阻抗高。
由于锂离子电池的电解液是有机溶剂，它的电导率比镍镉电池和镍氢电池水溶液电解液要低很多，所以它内部阻抗比镍镉以及镍氢电池大得多；其次，有特殊的保护电路，防止其过充；再次，成本较高；最后，和普通电池相容性较差。
现阶段，动力锂电池在新能源汽车当中已经取得了较为广泛应用，伴随时代发展进步，新能源汽车和动力锂电池应用都会愈加广泛。
在新能源汽车当中应用锂离子电池有着非常多的明显优势特征。
第一，动力锂离子电池能量的储存密度和普通电池相比较更高，它储存能量是常见的铅酸电池7至8倍。
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一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真摘要：介绍了某纯电动轿车两种冷却系统设计方案，利用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真软件建立整个电池组仿真模型，通过仿真和试验相结合的手段获取仿真模型中蒸发器等效模型的关键参数，从而进行高温工况下电池组散热情况的数值模拟，指导冷却系统方案设计。
对比两组仿真结果，确定蒸发器分体式冷却方案对电池组的冷却效果明显优于集中式，且该冷却系统可以有效保证电池在高温环境下运行的稳定性，防止热失控现象的发生。
关键词：纯电动轿车；热管理系统；冷却；数值模拟中图分类号：U469.72+2文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.01.08动力电池作为新能源纯电动汽车的动力来源，在提高整车性能和降低成本方面都有至关重要的作用，其温度特性直接影响到纯电动汽车的性能、寿命和耐久性[1-2]。
目前在电池容量受到限制的情况下，电池成组技术水平对电池系统的发展非常重要，而电池热管理系统作为电池成组技术的重要核心技术之一，对提高电池一致性以及保证整车安全性都至关重要。
在夏季，电动汽车运行过程中，对电池的充放电会伴随着大量热量的产生，如不及时散热，电池组内部温度会急剧上升，且温差不断加大，加剧电池内阻与容量的不一致性，甚至导致热失控，存在很大安全隐患。
电池组冷却系统的设计需采用系统化的设计方法，同时为节省研究成本，需要借助成熟CFD技术来完善对电池组热特性的准确评估与分析。
针对目前传统开放式冷却系统不能很好地满足电池组运行需求的现状，本文提出一种全封闭式冷却系统方案，利用蒸发器对电池组进行主动散热。
通过CFD仿真对所设计的两种方案进行数值模拟，最终确定较优方案。
1 电池组冷却系统设计1.1 电池组冷却系统空气冷却按照冷却系统采用结构的不同，分为串行和并行两种方式；按照是否使用风扇，分为强制及自然两种冷却方式。
自然冷却无冷却风扇，冷却效果比较差。
强制冷却主要利用冷却风扇进行冷却，由于其实现成本较低、散热效果较好、可靠性高等特点，目前新能源汽车主要采用此种方式对电池组进行冷却[3-4]。
某纯电动轿车冷却系统利用空气作为冷却介质对电池组进行冷却，电池组内部选用能量型三元材料动力电池，采用密闭式热管理系统，利用强制冷却方式对电池组进行冷却。
箱体全封闭式，空气从风机出口，沿着系统内的风道冷却发热的电池模组，最终回到风机形成内循环。
冷却系统风道示意图如图1和图2所示，风扇布置在蒸发器前端。
本文所述电池组冷却系统，当空调系统开始制冷工作时，压缩机转动将进入其中的低温低压气态制冷剂压缩为高温高压气体状态，高温高压制冷剂在压缩机持续不断的压力下被送入冷凝器里将其变为中温高压的液体。
随后制冷剂再经过干燥器进行气液分离，并将制冷剂中残留水分除去。
制冷剂经过膨胀阀，因膨胀阀有限流作用，使液态制冷剂经过限量后进入电池组内部蒸发器，制冷剂因压力降低而使体积膨胀，当液态制冷剂在压力下降到一定值时，会由液态直接蒸发为气态并在蒸发器芯体上吸收周围大量的热能，使蒸发器芯体的温度降低。
当有自然风从蒸发器芯体的翅片或扁管上通过时，蒸发器芯体会对自然风降温，并将降温后的空气送出蒸发器总成以产生电池包内部制冷效果[5]。
由于蒸发器所在位置不同导致其制冷效果会出现较大差异，分体式蒸发器制冷效果好，但在安装制造方面存在较大困难；集中式蒸发器制冷效果较分体式差，但安装相对较为方便。
因此需要利用CFD软件对电池组进行高温冷却仿真，选取较优方案。
1.2 冷却系统蒸发器制冷量计算冷却系统设计初期需要根据整车性能设计目标需求计算蒸发器制冷量，以此作为蒸发器部件选型的重要依据。
式中，Cp为电池单体比热容，J/（kg?K）；m为电池单体质量，kg；mi为电池单体每种材料质量，kg；Ci为电池单体每种材料比热容，J/（kg?K）。
假设电池组内部设计n个电池单体，热管理系统目标要求所控制温升ΔT，由经典热力学公式可得：Q电池组。
电池组实际制冷过程中，电池组内空气温度是随时间变化的，制冷时间为t，则。
式中，q为热流密度，J/（m2?s）；A为散热面积，m2。
冷却工况下蒸发器制冷量计算，电池组是工作的，需要考虑电池的发热量。
Q电池。
式中，q'为放电功率，w；t为制冷时间，s。
蒸发器总制冷量为QQ电池+ Q' + Q电池。
2 电池组仿真模型建立2.1 模型简化综合利用CFD软件自建模及外部导入两种方式，建立电池组仿真模型，考虑到电池组内部实际结构的复杂性，需对其进行简化，去除不必要的几何特征，例如倒角、圆角等。
电池系统内部设计有蒸发器等元件，若保持其原始模型，会大大增加仿真计算成本和难度，所以需要进行合理等效简化，在系统内部建立其相应等效模型。
2.2 蒸发器等效模型建立2.2.1 蒸发器阻抗计算系统阻抗与风速无关，主要是由模组布置、风道设计等决定的。
为获取蒸发器阻抗特性，需对蒸发器进行风洞试验。
在入口处给定一定风速，通过测量进风口、出风口两处的压力得到前后压差ΔP。
系统阻抗方程：。
式中，k1、k2为系统阻尼系数；为空气密度，kg/m?；v为进风口速度，m/s；ΔP为压降。
在系统进风口处分别将风速设置为5 m/s以及10 m/s。
通过计算，对于集中式冷却方案蒸发器：。
对于分体式冷却方案蒸发器：。
2.2.2 蒸发器仿真模型建立利用仿真软件建立蒸发器等效模型，如图5所示，并通过一定手段将以上计算得到的蒸发器阻抗特性输入到系统中。
为验证所建立等效模型的合理性，利用CFD软件对所建立的模型模拟风洞试验，即在入口处给一定对风速，通过测量进出风口两处压力得到压力差，得到其前后速度及压力分布情况，如图6和图7所示，图8为试验结果。
考虑到蒸发器实际模型较为复杂，故利用CFD软件中散热器模型对其进行简化，散热器底座与翅片分别模拟蒸发器中间芯体与翅片。
图6为利用CFD软件对其建立的风洞模型。
当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到速度分布情况，其中最大风速为12.9 m/s。
图7为当设计蒸发器进口容积风量为100 m3/h，得到的压力损失情况。
通过对蒸发器分析可以看出，蒸发器前端压力最大为182 Pa，后端为-67 Pa，故其压力损失为247 Pa。
图8为试验测试结果，ΔP为242 Pa，通过对比表明此种简化等效方法是合理的。
3 CFD流体数学模型流体传热过程中都受物理守恒定律制约，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律等[6]。
连续性方程：。
式中，为流体密度，kg/m?；ui为流体速度沿i方向的分量。
动量方程：。
式中，p为静压力，Pa；τij为应力矢量；gi为i方向的重力分量；Fi为由于阻力和能源而引起的其它能源项。
能量方程：。
式中，h为熵；k为分子传导率；kt为由于湍流传递而引起的传导率；Sh为定义的体积源。
4 网格划分由于模型内部存在风扇，若全部采用笛卡尔六面体网格可能会导致风扇外形失真，但网格数目会减少，因而风扇采用六面体连续性网格（Unstructured），剩下的面采用笛卡尔六面体网格（Cartesian）。
5 边界条件设定电池组1C放电电流为60 A，三元电芯内阻为19 mΩ，整个电池组为32并92串，动力电池组总成外壳下底板材料为SPCC（冷轧碳素薄钢板），电池组上盖采用PC（非晶体工程材料），电池组模块固定板材料为丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板（Acrylonitrile-Butdiene-Styrene，ABS），根据所选风扇输入其P-Q曲线，蒸发器制冷功率为500 W。
6 两种冷却方案仿真结果分析6.1 集中式冷却方案仿真分析高温工况，即环境温度为40 ℃，轴流风机位于蒸发器前端，加热器不工作，风机及蒸发器工作，蒸发器制冷功率为500 W，仿真结果如图9和图10所示。
从图9和图10可以看出，在蒸发器制冷功率为500 W 时，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为9.06 ℃。
从整个系统横截面可以看出，电池组中不同位置温度分布温差较大，靠近蒸发器端温度较低，远离蒸发器位置温升较大，电池组内部存在温度分布不均匀的问题。
6.2 分体式冷却方案仿真分析当采用分体式冷却方案时，蒸发器制冷功率为500 W（左右两侧分别有一个蒸发器，各自功率均为250 W），热仿真结果如图11和图12所示。
由图11和图12可以看出，电池包内局部单体电池3 600 s内最大温升为6.58 ℃。
电池组尾部局部温升较大，可以通过改进风道的方式来加以改善，整体温度分布较为均匀。
7 两种冷却方案对比总结7.1 集中式冷却方案仿真结果总结通过瞬态仿真分析，获得了电池组内部温度随时间变化的分布情况。
从以上截图可以看出，在环境温度为40 ℃，蒸发器制冷功率为500 W时，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为9.06 ℃，不超过55 ℃。
但同时可以看出，电池组中不同位置温度差较大。
综上所述，集中式冷却方案在高温工况下冷却性能较差。
7.2 分体式热管理系统仿真结果总结通过瞬态仿真分析，获得了电池组内部温度随时间变化的分布情况。
从以上截图可以看出，在环境温度为40 ℃，蒸发器制冷功率为500 W，电池1 C放电的情形下，电池包内局部单体电池仍然有一定的温升，3 600 s时最大温升为6.58 ℃，不超过50 ℃。
同时可以看出，整个系统中靠近加热器的后模组部分模组电池温升相对较大，但电池组整体较为平均，故分体式热管理系统基本上解决了集中式热管理系统温差过大的影响，通过改善风道及优化结构实现分体式热管理系统。
8 结论（1）空调制冷原理运用于电池热管理系统是可行的，能够有效地对电池组进行冷却。
（2）通过阻抗计算分析对蒸发器进行简化是合理的。
（3）利用CFD软件进行热管理系统仿真分析，能够反映电池组温度分布趋势，说明将CFD技术应用于新能源电动汽车电池组热管理系统方案设计是可行的。
（4）蒸发器分体式冷却方案对电池组的冷却效果优于集中式冷却方案。
（5）某纯电动轿车电池组冷却系统为密闭式设计，可在高温环境下对电池组进行有效冷却，避免热失控现象的出现。
参考文献（References）：EHSANI M.Modern Electric，Hybrid Electric，and Fuel Cell Vehicles[M]. Boca Raton：CRC Press，2005.ALAOUI C. Solid-State Thermal Management for Lithium-Ion EV Batteries [J]. Vehicular Technology，IEEE Transactions，2013，62 （1）：98-107.雷治国，张承宁. 电动汽车电池组热管理系统的研究进展[J]. 电源技术，2011（12）：1609-1611.Lei Zhiguo，Zhang Chengning. The Research Progress of Electric Vehicle Battery's Thermal Management System [J]. Chinese Journal of Power Sources，2011（12）：1609- 1611.（in Chinese）CHEN C C. GIBBARD H F. Thermal Management of Battery Systems for Electric Vehicles and Utility Load Leveling[C]//Proceedings of the 14th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference，Boston，MA，USA：American Chem Soc，IEEE，American Nuclear Soc，1979：725-729.朱汉清.谈汽车空调的结构及工作原理[J].科技创新与应用，2013（33）：119.Zhu Hanqing. Automotive Air Conditioning Structure and Operating Principle [J]. Technological Innovation and Application，2013（33）：119.（in Chinese）夏顺礼，秦李伟，赵久志，等.某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证[J].汽车工程学报，2011，1（2）：140-146.Xia Shunli，Qin Liwei，Zhao Jiuzhi，et al. The Analysis and Verification of the Design of a Pure Electric Vehicle Battery's Thermal Management System [J]. Chinese Journal of Automotive Engineering，2011，1（2）：140-146.（in Chinese）。