為了更加有效地控制電動汽車電池的工作溫度，研究了一種鋁板/相變材料/液冷電池熱管理系統散熱結構，采用CFD 軟件模擬仿真。研究了鋁板厚度、水管數量、質量流量、導熱系數、相變溫度和進水溫度等因素對電池散熱的影響。通過對電池溫度場的模擬仿真，合理控制因素之間的相互影響，將參數取值進行優化，使電池的最高溫度和最大溫差能夠控制在44．19 ℃和3．18℃，此溫度能夠很好地滿足電池的工作溫度，表明鋁板/相變材料/液冷相結合的新型散熱結構能夠較好地控制電池的溫度均勻性和有效性。

1 建立模型

電池的整體結構如圖1 所示。鋁板緊貼電池體，均勻插入圓形水管的相變材料貼在鋁板之后，并且選用導熱系數高、密度小的鋁來作為水管材料。可以看出，模型具有對稱性，為了縮短模擬仿真時間，本文僅僅仿真了模型的1 /4 部分。幾何尺寸和物理參數參考了研究較為成熟的電池單體，如表1 所示。為了研究濫用條件時電池的性能，電池以放電倍率5C 進行放電，因此仿真時間為720 s，并且根據現有學者研究成果，此放電倍率下的電池發熱功率約為200 kW/m2。為了便于研究，本文設定冷卻水是不可壓縮的層流，并且由于輻射換熱部分的熱量相對較小，因此不考慮輻射換熱。由于相變材料的性質比較穩定，忽略相變材料在融化和凝固時的各種變化。本文利用仿真軟件ANSYS FLUENT16．0 進行模擬。

通常情況下，考慮電池處于絕熱環境中時，電池在放電過程中的產熱率Q( 單位: W) 可通過下式計算得出:

電池在放電的同時也會吸收一定的熱量，這部分熱量

相變材料吸收的熱量

在組合模型電池熱管理系統中，冷卻水帶走的熱量

空氣會產生一定的自然對流，電池產生的一部分熱量會被空氣帶走。這部分熱量

與電池、相變材料和水吸收的電池熱量相比，鋁板在導熱過程中由于吸收部分熱量導致自身溫度升高的這部分熱量可以忽略不計。

結果分析

鋁板厚度和水管數量的影響

1) 鋁板厚度的影響研究鋁板厚度dAl的影響時，相變材料的導熱系數kPCM、冷卻水的質量流量q×103 kg /s、進水溫度TW以及相變溫度TPCM等參數設置如表2 所示。圖2 為不同鋁板厚度時電池的溫度分布情況。鋁板厚度增厚時，電池的最高溫度和最大溫差都逐漸降低，并且最大溫差可以控制在2℃以

內。可以看出，加入鋁板后的新型模型，有利于控制電池的溫度有效性和均勻性，并且散熱過程更加穩定。為了工藝的簡便和節約材料，選取0.4mm 鋁板厚度為較優值。

2) 水管數量的影響

研究水管數量n 時，參數的選擇見表3。圖3 是n 個不同時電池的溫度分布情況。當n 增加時，電池的最高溫度逐漸降低，最大溫差卻逐漸增大。當水管數量分別是2、4、6、8 時，電池的最大溫差同樣能控制在3℃以下。可以看

出，水管的加入，在不破壞電池溫度均勻性的前提下，還能合理地控制電池的最高溫度。為了得到理想的溫度，同時減少熱管理系統的負載，選取4 根水管為較優值。

冷卻水的質量流量和相變材料的導熱系數的影響

表4 是分析導熱系數和質量流量對電池溫度影響時的參數選擇情況，電池的溫度分布情況如圖4 所示。同等變量時，電池的最高溫度隨著導熱系數的增大而降低，隨著質量流量的增大而降低。當相變材料的導熱增大時，熱量的傳遞越

快，冷卻水的冷卻能力隨質量流量的增大而增強。因此，為了得到較為均勻的溫度分布，應該合理地控制導熱系數和質量流量。所以，導熱系數和質量流量相互制約，當匹配最好時，可以有效地降低電池的最大溫差，并且考慮到制作高導熱的相變材料工藝復雜性和降低負載，導熱系數選擇0.6( W/( m·K) ) ，質量流量選擇0.000 5 ( kg/s) 為較為合理。

冷卻水的進水溫度和相變材料的相變溫度的影響

表5 是分析冷卻水的進水溫度和相變材料相變溫度的參數選擇情況，電池的溫度分布情況如圖5 所示。同等變量時，當進水溫度增大時，電池的最高溫度增大。若相變溫度過高，相變材料不能充分地融化，也就不能得到較高的利用率。當進水溫度過高時，不能實現快速冷卻，不利于電池最大溫差的控制。當相變溫度為40℃，進水溫度為18℃時，電池的最高溫度可以控制在45℃以下，最大溫差在3℃ 左右，都能很好地滿足電池的最佳工作溫度，同時相變材料也能得到較為合理的利用。

對比與驗證

本文提出了鋁板/相變材料/液冷的電池熱管理系統，為了驗證此結構的優勢，分析了在相同工況下，鋁板/液冷和相變材料/液冷散熱結構的溫度分布。為了保證一致性，3種結構的參數設置見表6。

圖6 是模擬常溫環境、5C 高倍率放電情況下，電池的最高溫度和最大溫差的溫度曲線。從曲線圖可以看出，如果只有鋁/液體冷卻相結合，由于鋁的導熱良好，使電池的最高溫度能夠得到較好控制。但是由于導熱太快，散熱不均勻，會影響電池的最大溫差。當只有相變材料/液冷相結合的熱管理時，相變材料由于其良好的潛熱，使電池的最大溫差得到控制，但是由于相變材料的導熱不好，電池不能及時散熱，使電池的最高溫度不能得到較好控制。所以，鋁板/相變材料/液冷散熱結構在控制電池的最高溫度和最大溫差方面都有良好的效果，控制最高溫度為44.19 ℃，最大溫差為3.18℃。

結合鋁材料良好的導熱性、相變材料和液體冷卻可以產生均勻的溫度分布，設計了一個鋁板/相變材料/液冷相結合的散熱結構，并且討論了不同影響因素對電池組的最高溫度、最大溫差和PCM 液體體積分數的影響。具體的結論如下:

1) 散熱結構中，加入鋁板后，電池的最高溫度和最大溫差都隨著鋁板厚度的增加而降低，表明此結構能夠控制電池溫度的有效性和均勻性。當水管數量增加時，電池的最高溫度慢慢降低，溫差由于散熱過快而升高，因此選取4 根水管為較優值。

2) 電池的溫度會受到導熱系數和質量流量的影響，隨著質量流量的增加，最高溫度不斷降低。而為了同時控制最大溫差，需要使得導熱和散熱的速度同步，因此，最優的導熱系數和質量流量分別是0.6W/( m·K) 和0.000 5 kg/s。

3) 相變溫度和進水溫度對電池的溫度分布也會產生一定的影響。當滿足以上條件，相變溫度為40℃，進水溫度為18℃時，可以有效地控制電池的最高溫度為44．19 ℃，最大溫差為3．18℃，此結果可以較好地滿足電的工作溫度，使得電池發揮較優的性能。