電動汽車鋰電池組溫度場研究及其結構優化*

劉振軍，林國發，秦大同，胡明輝，林歆悠

(重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044)

前言

目前，節能環保汽車的開發，已受到各國政府和各大汽車公司的高度重視［1］，其中電動汽車已成為主要的發展方向之一。電池是電動汽車的核心部件之一，而鋰離子電池因具有電壓高、比能量高、比功率大、循環性能好和自放電低等優點，成為電動汽車和混合動力汽車的主導電源。但鋰離子電池在充放電過程中產生的大量熱量，會導致電池內部溫度升高和單體電池之間溫度不均勻，造成電池性能不穩定，嚴重時甚至影響到電池的使用安全和壽命。因此，電池組的散熱和溫度控制是保證電池性能的關鍵。目前，車上電池組散熱一般采用風機抽吸式冷卻結構［2－3］。這類結構的缺點是抽風機或吹風機本身消耗電池電量，降低了電池的利用功率，縮短了汽車的續駛里程。如果利用自然風冷方式，當汽車行駛時，利用周圍空氣與汽車的相對運動，可對鋰電池組起到冷卻作用。本文中從不消耗電池電量的自然風冷結構入手，運用計算流體力學方法對鋰離子電池組自然風冷時的溫度場進行建模和仿真分析，提出了使電池組的溫度場均勻的優化方案。

1 鋰電池組溫度場仿真

1.1 電池組幾何模型

本文中的研究對象是國內某汽車公司最新開發的純電動汽車用鋰離子電池組。單體電池的尺寸(長×寬×高)為217.5mm×142mm×67mm，電池殼體厚度為1.5mm。電池組由56個單體電池組成，單體電池間隙為2.5mm，電池箱的整體尺寸為1 054mm×580mm×300mm，板厚為2mm。單體電池在電池箱內的排列方式如圖1所示，雙層排列，上下層間隙為10mm，前后排間隙為16.5mm。汽車沿著箭頭相反方向行駛，根據此時運行車速可折算出作用在電池組上的風速。

1.2 電池組的散熱模型

文獻［4］中運用電池熱模型研究電池的熱管理問題，電池熱模型的實質是電池內部各微元體的能量守恒方程。假設組成電池的各種材料介質均勻、密度一致;同一材料的比熱為同一數值、同一材料在同一方向各處的傳熱系數相等;電池充放電時，電池內部各處電流密度均勻［5］。基于以上假設可得電池組直角坐標系三維非穩態傳熱模型為

式中:ρ為傳熱介質密度;CP為比熱;θ為溫度;t為時間;λx、λy、λz為沿 X、Y、Z 的傳熱系數;Qz為生熱量。計算電池內部溫度場的實質是求解式(1)所示的傳熱微分方程。求解上述方程須解決3個關鍵問題:(1)生熱量的準確表達;(2)熱物性參數ρ、CP、λ的準確獲取;(3)定解條件(初始條件和邊界條件)的準確確定。

1.3 電池生熱量

電池的生熱量主要由反應熱、極化熱、副反應熱和焦耳熱4部分組成。對于鎳氫電池來說，因為充放電過程中有氧氣析出，不可避免地會與氫氣發生反應，產生副反應熱。而對于鋰離子電池來說，這部分熱量幾乎為零，因此電池內部反應熱只考慮剩下的 3 部分熱量［6－7］。

式中:Q為化學反應過程正負極產熱量的代數和，kJ/mol;I為放電電流，A。

式中Rp為極化內阻，Ω。

式中Re為電子流動過程中內阻，Ω。

當鋰離子電池溫度達到70～80℃時，反應熱占電池總產熱量的絕大比例;而在低于上述溫度充放電時，焦耳熱占較大比例。一般鋰離子電池的正常工作溫度為－20～65℃，因此，鋰離子電池正常工作時的發熱量主要由極化熱和焦耳熱組成。

單位面積電池自身發熱功率，即熱流密度為

式中S為單體電池上發熱面面積，m2。

1.4 計算網格

在對鋰電池組進行溫度場建模和數值模擬時，提出4個假設條件:①在散熱系統內部流場中，流體看成理想不可壓縮流體;②流體與固體間無相對滑動;③流體的慣性力忽略不計且邊界壓力為0;④忽略散熱系統的結構熱變形。

對電池組模型進行必要的簡化后，選取其1/4作為幾何模型。周圍空氣網格模型是無限大的，因受計算機配置的限制，只考慮電池組周圍200mm內的范圍。計算網格的生成使用FLUENT公司開發的Gambit網格生成工具，采用結構化網格，生成的網格如圖2所示，網格數約有220萬個。

1.5 邊界條件、初始條件和求解器

將流體和固體界面設置為耦合傳熱固壁邊界，當電池放電電流為30A、車速為100km/h時，電池組和空氣的相對速度為25m/s，即為電池組迎風速度。初始溫度取為27℃，電池殼體材料為不銹鋼，單體電池之間氣體為空氣，電池組密封，箱體材料為不銹鋼。根據式(8)，算得電池組的熱流密度為26.34W/s2。所有流體視為單一流體介質，采用k-ε湍流模型。各介質的物性參數見表1［8］。

表1 介質物性參數

電池組箱體導熱過程可認為是典型的耦合傳熱。求解耦合傳熱問題的有效方法是整場離散和整場求解［9］，把不同區域中的熱傳遞過程組合起來作為一個統一的換熱過程。流體部分和固體部分直接耦合，使用相同的離散規則和數值方法進行迭代計算。壓力、動量和能量的離散方法采用2階迎風格式，動量方程中的壓力和速度耦合方法采用SIMPLE算法［10］。

2 仿真結果分析

當計算結果收斂時，仿真計算得到的電池組內部溫度分布如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4的仿真結果可知，電池溫度分布不均勻，溫升達到19℃。電池箱體中心處電池表面溫度最高為46℃，邊緣處電池表面溫度最低為32℃，溫差為14℃。這是由于電池箱和周圍空氣接觸，與中心位置的電池相比，電池箱周邊電池的對流換熱系數大、散熱條件好。電池組工作時，箱體內部邊緣的空氣通過箱體與外界空氣進行熱交換，使箱體邊緣位置的電池表面溫度相對較低。而箱體內部空氣不流動，不能將熱量及時帶走，造成熱量積累，因此箱體中心位置電池表面溫度最高。

3 電池組溫度場測試

3.1 測試系統和測試條件

為評價純電動汽車鋰離子電池箱散熱模型的合理性和驗證仿真結果的正確可靠性，對純電動汽車原始鋰離子電池組進行了溫度場試驗。測試系統采用德國申克公司研發的汽車道路模擬試驗系統。該系統主要由3大部分組成:環境艙控制系統、底盤測功機和數據采集系統。試驗在某企業技術中心的整車性能實驗室環境艙中進行，電池組溫度測試系統主要由T型熱電耦、單片機PIC16F877、熱電耦溫度補償放大芯片AD595、多路轉換開關芯片ADG608、A/D轉換芯片ADS8320和串口通信控制芯片MAX487等組成。溫度傳感器的布置是電池組溫度測試的關鍵，溫度傳感器數目多，有測溫全面的優點，但會增加試驗成本和散熱系統的壓力損失。考慮到電池組的對稱性和溫度分布不一致，溫度傳感器有可能失效，布置的溫度傳感器數量又不能太少。溫度傳感器在電池箱體內部單體電池表面的布置如圖5所示。分別調節環境實驗艙的環境溫度和風速至規定值:27±2℃和25m/s。設定電池組的放電電流為30A，電動車以100±5km/h的車速運行。

3.2 測試結果分析

在電池組溫度平衡時得到的單體電池溫度如圖6所示，取電池模塊在整個試驗工況中的溫度最高值和相應的仿真結果進行對比分析。

從圖6可看出，實測溫度的分布和仿真溫度分布趨勢基本吻合。說明本文中所建立的電動車鋰離子電池組模型合理和準確。但仿真結果普遍高于實測溫度，這是因為仿真時，所選取的空氣流速和實車行駛時折算的空氣流速有一定的誤差。

4 電池組結構改進和溫度場仿真

4.1 結構改進方案

通過對原始模型的研究和分析可知，因電池組內部空氣不流動和電池底部直接與箱體接觸，造成電池的溫度不均勻。改進方案為:在電池箱體前后斷面開通風口，尺寸為280mm×2.5mm×2mm，當電池組迎風時，空氣通過前面的通風口進入電池組箱體內部，氣流在各個單體電池間隙流動進行熱交換之后，從后面的通風口出來，把熱量帶走，降低溫升，實現溫度的均勻性。通風口位置如圖7所示。在電池箱內部，各個單體電池之間的間隙形成通風道。

4.2 溫度場仿真

電池箱改進后的電池組溫度仿真結果如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可清晰看到，氣流從進風口進入電池組內部，穿過各個單體電池間的縫隙，氣流與電池外殼進行換熱，流動過程中逐步被加熱，流經出風口及時將部分熱量帶走，起到冷卻作用。其中電池組中間的幾個縫隙因為流動阻力較小，流速比兩邊縫隙快，換熱系數大，因此中間位置的電池溫度也相對較低。邊緣兩側的電池因靠近外界空氣。散熱條件好，溫度也較低。如圖10所示，電池表面溫度最高為33℃，出現在電池組左右各1/4處的位置。電池組散熱效果改進前后比較結果見表2。

表2 電池組散熱效果改進前后比較

從表2可看出，在開了進風通風口之后，電池組的溫升明顯下降，最高溫度從46℃降至33℃;電池之間的溫差也從14℃降至6℃，均勻性顯著提高。

5 結論

(1)利用FLUENT軟件對鋰離子電池組的溫度場進行了建模和仿真分析，計算出了各電池殼體外表面的平均溫度、最高溫度和最大溫差，并和試驗值進行了比較，結果吻合良好，說明該模型能較好地反映電池組的溫度場分布情況。

(2)原始電池組的溫升較高，最高溫度達46℃;均勻性較差，溫差達到14℃，影響電池組的使用性能。主要是因為電池組內部空氣不流動，換熱系數低，造成熱量積累、溫度分布不合理。

(3)提出了改進方案，通過在電池組箱體前后端面增加進出風口，可使氣流進入電池組內部各個單體電池之間的縫隙，提高了換熱系數，改善了電池組內部的溫度場，帶走了熱量。電池組的最高溫度從46℃降至33℃，溫升下降了13℃。電池之間的溫差控制在6℃以內，均勻性顯著提高。

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