車用鋰電池組熱流場特性數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

韓鋒鋼， 潘懷杰， 彭倩， 林有淮， 劉勝

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；2. 廈門威迪思汽車設計服務有限公司， 福建 廈門 361024)

車用鋰電池組熱流場特性數(shù)值模擬與優(yōu)化設計

韓鋒鋼1，2， 潘懷杰1， 彭倩1，2， 林有淮2， 劉勝1

(1. 廈門理工學院 機械與汽車工程學院， 福建 廈門 361024；2. 廈門威迪思汽車設計服務有限公司， 福建 廈門 361024)

針對車用電池溫升過高、電池組溫差大的問題，開展電池包熱流場分析與優(yōu)化設計.根據(jù)Bernardi的生熱速率方程式，建立由電池電解液、正負極柱和隔膜四部分組成的單體電池熱耦合模型及成組電池傳熱模型；利用Fluent軟件分析鋰電池單體在自然對流環(huán)境下的溫升特性，研究成組電池在強制對流條件下的熱流場特性；通過增加導流板優(yōu)化電池箱內(nèi)流場結(jié)構，并評估導流板對電池組散熱效率的作用.結(jié)果表明：單體鋰電池在自然對流下溫升明顯，電池內(nèi)核溫度遠高于正負極柱溫度；電池箱進出風口位置及結(jié)構決定箱內(nèi)空氣的流向和成組電池的散熱效果；通過對進、出風口位置的設計及增加導流板，可有效改進電池組熱流場的均勻性，從而提高散熱效果.

鋰離子電池組； 新能源汽車； 熱模型； 風冷； 導流板； 溫度場

Abstract： In order to solve the problem of temperature sharp rising and significant thermal difference among the battery modules of electric vehicles， a study of thermal flow analysis and optimization on battery pack was carried out. A thermal coupling model with four parts, namely a single cell electrolyte， a positive plate collector, a negative plate collector and a battery plate was established. A heating transferring model of individual battery was also established based on Bernardi heat generation rate model; then using Fluent software the heat generation characteristics of lithium battery monomer in natural convection environment was investigated and the effect of flow structure on the heat radiation was assessed with an optimized battery pack model. The re-sults indicate that the individual lithium battery temperature rises sharply under natural convection， while temperature increment of positive pole core is far higher than that of negative pole core； the inlet structure greatly influences the velocity field of cooling air and temperature distribution of the battery； and the uniformity of the battery thermal flow can be significantly improved by reasonably designing the air inlet and outlet positions and adding a guide plate, which can further enhance the cooling effect.

Keywords： lithium-ion battery pack； new energy vehicles； thermal model； air cooling； guide plate； temperature field

由于與新能源電池性能有關系的相關參數(shù)，如工作電壓、放電容量、循環(huán)壽命等都與溫度息息相關[1-2],電池組充放電過程中電流大、箱內(nèi)布置密集緊湊且工作環(huán)境存在較大不確定性，電池組的工作效率、穩(wěn)定性和使用壽命會由于箱內(nèi)熱量耗散的問題受到嚴重制約.當電池溫度不在40 ℃到20 ℃的范圍內(nèi)時，磷酸鐵鋰離子動力電池組(LiFePO4)的放電效率會有一個快速下降的表現(xiàn)，若要使其放電效率達到80%以上，電池組理想的工作溫度最好是處于18～43 ℃之間[3].國內(nèi)眾多的學者針對單體電池生熱模型及電池箱體散熱效果等問題開展了研究.李騰等[4]介紹了在鋰離子新能源電池方面所開展的電-熱及電化學-熱耦合模型等的研究；陳燕虹等[5]采取數(shù)值模擬的方式研究了成組電池生熱和散熱特性；羅玉濤等[6]則提出了以變壓器油作為冷卻介質(zhì)直接接觸液體的另一種冷卻方式.但目前大部分的研究都集中在散熱方式、相變材料的研究上，而在風冷方式的研究中，還缺乏對電池箱內(nèi)流場起導向作用的進、出風口的設計.本文對車用鋰電池組熱流場特性進行了數(shù)值模擬與改進設計，并通過進、出風口位置設計及增加導流板優(yōu)化電池箱體內(nèi)流場走向，以改善成組電池熱流場的散熱性能.

1 數(shù)學模型

由于電池箱內(nèi)緊密布置結(jié)構件及電池組，箱內(nèi)氣流為湍流流動，其換熱形式主要為強迫對流換熱及固體間熱傳導.

文中在建立流體仿真計算的數(shù)學模型時采用k-ε湍流模型(k為湍動能，ε為耗散率)[7-8]，該模型包括5個主要方程.

1) 質(zhì)量守恒方程，其表達式為

式(1)中:vr，vz，vφ分別為圓柱坐標系下徑向、軸向和周向的相對流體速度；ρ為氣體密度；t為時間.

2) 動量方程(忽略氣體重力作用)為

式(2)中：V為流體速度向量；μeff為等效粘度，μeff=μ+μt，其中,μ為流體粘度，μt為湍流粘度，μt=Cμρk2/ε，Cμ為常數(shù)，取為0.09；pt為修正壓力，pt=p+2ρk/3，p為壓力.

3) 能量方程為

式(3)中：ht為氣體總焓；λ為導熱系數(shù)；T為氣體溫度.

4) 湍動能方程(k方程)為

5) 湍動耗散率方程(ε方程)為

式(5)中：Cε1，Cε2，σk，σε均為常數(shù).根據(jù)Launder等[9]的研究結(jié)果及后來相關的試驗，在標準k-ε模型中，Cε1，Cε2，σk，σε分別取Cε1=1.44，Cε2=1.92，σk=1.0，σε=1.3.

2 鋰離子電池生熱機理

充放電過程中，電池內(nèi)數(shù)目相等的鋰離子和電子會有嵌入和脫嵌的現(xiàn)象，該動作產(chǎn)生的熱量稱之為反應熱.充放電中的該過程為可逆反應，大小相等符號相反[10]，記為Qr；根據(jù)熵增原理，實際上該動作中，還包括極化反應熱Qp、過充及過放副反應熱Qs、電解質(zhì)分解和由于自放電生成的熱量Qj，以及電池內(nèi)阻焦耳熱Qt.因此，上述關系簡化為Qt=Qr+Qp+Qs+Qj.

因為BMS對每個電池的電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)都會進行檢測，防止過充過放電，所以Qs作用很小，可以忽略.此外，可以利用等效極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量來代替極化反應熱[11]，因此，該過程可簡化為

式(6)中：R=Rz+Rp，Rz是電池自身的歐姆內(nèi)阻，Rp是電池的等效極化內(nèi)阻.

3 數(shù)值模型建立

3.1鋰離子電池生熱模型

在電池包的熱行為仿真計算中，將電池單體視為一個單獨的封閉子系統(tǒng)，和外界僅有熱量方面的交換.假設單電池內(nèi)部的材料是相同的材料，比熱容和X，Y，Z三個方向的熱導率等于電池的導熱系數(shù)，充電狀態(tài)和實時溫度不會對其產(chǎn)生影響，則成組電池生熱率模型為

運行中的電動汽車電池組的發(fā)熱遵守熱力學平衡方程，即

通常，電池組中單體質(zhì)量和材料都是完全相同的，因此，電池組吸收熱量計算式可簡化為

式(9)中：cp為電池的平均比熱容；m為電池平均質(zhì)量；ΔTi為單體電池的溫差.

當單體電池以不同倍率放電時，由于材料不同導致電池的內(nèi)核與極柱生熱的速率是有差異的.當生熱速率比散熱速率大時，會導致電池的溫度持續(xù)上升；溫度過高將影響電池的循環(huán)使用壽命和安全性.因此，計算散熱率和散熱速率對各種工況下的仿真計算都有著重要的意義[12].為了便于數(shù)值模擬，文中只針對0.5C的放電倍率恒流放電的情況進行仿真，如表1所示.表1中：C為放電倍率；I為單體電池電流；Q為生熱率.

表1 不同放電倍率下單體電池各部分生熱率Tab.1 Heat generation rate of each part of single cell at different discharge rate

3.2鋰離子電池熱特性參數(shù)

采用的鋰離子單體電池為方體，尺寸為140 mm×64 mm×211 mm，鋰單體電池劃分為電解液區(qū)域、正負極柱和隔膜四部分，每個區(qū)域的等效參數(shù)，如表2所示.表2中：h為材料厚度；ρ為材料密度；正極、負極及隔膜的參數(shù)為浸滿電解液工況下的參考值，由實驗獲得;正極、負極、隔膜及電解液的比熱容(c)和熱導率(λ)值可由文獻[2]得到.

表2 鋰離子電池材料特征參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of lithium ion battery materials

圖1 鋰單體電池有限元模型Fig.1 Finite element model of lithium battery

4 車用電池箱熱流場分析

4.1單體電池熱流場分析

基于電池的幾何參數(shù)，利用CREO建模軟件對單體電池進行幾何建模并導入到Hypermesh軟件中進行流體網(wǎng)格的劃分，如圖1所示.采用流體模擬軟件Fluent對單體電池的熱耦合模型進行求解，得到單體電池的溫度分布.根據(jù)相關文獻，對于空氣中自然散熱的電池表面，在計算時取其極耳傳熱系數(shù)為3.9 W·(m·K)-1，極板表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.427 W·(m·K)-1.電池單體在自然冷卻，0.5C和1.0C放電倍率下的恒流放電溫度云圖，如圖2，3所示.由圖2，3可知：0.5C放電倍率時,單體電池正、負極柱最高溫度分別為36.4，35.7 ℃；而1.0C放電倍率時則為37.1，36.3 ℃.說明正極柱溫差高于負極柱溫差，單體電池溫度由質(zhì)心向四周殼體逐級遞減.由于極柱傳熱系數(shù)大于電池殼體的傳熱系數(shù)，因此,最大溫度出現(xiàn)在電池中心偏上的位置，在自然冷卻環(huán)境中，單體電池最大溫差達到13.3 ℃，說明電池的熱積累是電動汽車使用的關鍵問題.

(a) Z-X對稱面 (b) 單體電池整體 (a) Z-X對稱面 (b) 單體電池整體 圖2 單體電池0.5C放電倍率的溫度云圖 圖3 單體電池1.0C放電倍率的溫度云圖 Fig.2 Temperature nephogram of single battery at 0.5C charge Fig.3 Temperature nephogram of single battery at 1.0C charge

圖4 不同放電倍率下電池組的溫度曲線Fig.4 Temperature curve of battery pack at different discharge rate

分別監(jiān)測單體電池Z-X對稱面自上向下的5個等距離監(jiān)測點的溫度，結(jié)果如圖4所示.

4.2電池組熱流場分析

當汽車以較高的速度運行，如大角度爬坡時，電池組的放電倍率是最大的，也是電池生熱量最大的工況.若僅靠箱體自然冷卻會造成熱量積累，特別是電池組中心聚集的熱量無法很快地耗散，過熱的溫度不僅使電池性能下降，而且造成的損傷是無法修復的，使電池容量和性能下降.因此,必須采取強制冷卻的方式，使電池箱內(nèi)的溫度保持在能使鋰離子電池正常工作的范圍內(nèi).以某車用鋰電池組為例，該電池箱內(nèi)置電池由4列5排共20個電池單體單層排列構成，大小為953.5 mm×556.5 mm×211.0 mm.圖5為冷卻風扇及電池組布置圖,圖6為其有限元模型.用于送風的風扇有兩個，置于距離電池組前端50 mm，出風口有一個，置于距離電池組25 mm處.

數(shù)值模擬邊界條件采用速度入口和壓力出口，箱體其余外部邊界采用默認壁面邊界，空氣入口速度為2.2 m·s-1.電池箱體與外部空氣的能量交換主要途徑是對流和輻射換熱，由于熱管理系統(tǒng)的存在，可忽略其對成組電池熱流場特性的影響.參考文獻[13]可得對流換熱系數(shù)hx=15 W·(m2·K)-1，輻射換熱系數(shù)hr=0.2.在外部環(huán)境攝氏溫度為25 ℃情況下，以0.5C放電倍率下,恒流放電完成后箱體內(nèi)冷卻空氣流線，如圖7所示.

圖5 冷卻風扇及電池組布置圖 圖6 電池組網(wǎng)格模型 Fig.5 Diagram of cooling fan and battery pack Fig.6 Meshing schematic diagram of battery pack

由圖7(a)可知:進風端空氣流速(v)較出風端低，冷卻空氣流速由進口端沿出口端均勻平順，空氣流動能量損失較小.由圖7(b)可知：在進口端與電池組之間存在多個漩渦，造成冷卻空氣能量的損失，當冷卻空氣到達電池箱上端面后，有一部分空氣經(jīng)單體電池之間的縫隙流向箱體底部，隨后往電池箱出風口流動；各排之間空氣流速大小及均勻性相差不大，而各列之間空氣流速大小及均勻性相差較大.

優(yōu)化前的電池組溫度分布，如圖8所示.由圖8可知：第3，4排電池組溫度較高，結(jié)合圖7可知此處的空氣是流速最低的地方；溫度較低處出現(xiàn)在進風口最前排頂部和出風口第5排中間區(qū)域；最高溫度44 ℃出現(xiàn)在第3排中下部位置，最低溫度30 ℃出現(xiàn)在第1排進風口處，成組電池的溫差最大為14 ℃，可見電池組熱量分布均勻性不理想.

(a) 軸視圖 (b) 流場云圖圖7 電池箱冷卻空氣流場云圖Fig.7 Velocity streamlines of cooling air in battery box

(a) 電池組溫度云圖 (b) 電池組溫度曲線圖8 優(yōu)化前的電池組溫度分布Fig.8 Temperature distribution of battery pack before optimization

4.3電池箱結(jié)構優(yōu)化分析

針對上述仿真結(jié)果存在的不足之處對電池箱結(jié)構進行改進設計，在進風口與電池組之間增加導流板，其結(jié)構如圖9，10所示.為了加大對電池組底部區(qū)域的冷卻效果，將出風口向電池箱底部下移30 mm，其他布局與原結(jié)構一致.優(yōu)化后，以0.5C放電倍率時的冷卻空氣速度流線云圖，如圖11所示；而以0.5C和1.0C放電倍率時的電池組溫度分布，如圖12,13所示.

由圖12，13可知：該電池組最高和最低溫度分別為35.2，26.8 ℃，均在單體電池理想的工作溫度范圍內(nèi)，并且將電池組的溫差縮小至8.4 ℃.為滿足使用壽命及安全性，要求留出了足夠的余量.

圖9 導流板結(jié)構示意圖 圖10 導流板位置Fig.9 Schematic diagram of guide plate Fig.10 Guide plate position

(a) 俯視圖 (b) 流線云圖圖11 優(yōu)化后以0.5C放電倍率時的冷卻空氣速度流線云圖Fig.11 Velocity streamline of cooling air at 0.5C discharge rate after optimization

(a) 0.5C放電倍率 (b) 1.0C放電倍率圖12 優(yōu)化后不同放電倍率下的電池組溫度云圖Fig.12 Optimized battery temperature at different discharge magnifications

(a) 0.5C放電倍率 (b) 1.0C放電倍率圖13 優(yōu)化后不同放電倍率下的電池組溫度曲線Fig.13 Optimized battery temperature curves at different discharge magnifications

4.4不同放電倍率下的電池組溫度

以改進后電池箱結(jié)構為基準，模擬計算了不同放電倍率下電池組的溫度場，結(jié)果如表3所示.由表3可知： 隨著運行工況不同導致放電倍率逐漸增大的工況下， 電池組的溫升和最大溫差都在逐漸增加，成組電池組在1.0C恒流放電時的溫差最高可達到38.56 ℃，接近鋰離子電池最舒適的工作環(huán)境溫度(40 ℃).由此可見，當電動汽車長時間在復雜環(huán)境中運行時，會使電池組長期處于高倍率放電狀態(tài)，應考慮加強對電池組的冷卻措施.

表3 不同放電倍率下電池組的溫度特性Tab.3 Temperature characteristics of battery at different discharge rates

5 結(jié)論

通過對單體鋰離子電池的熱特性和電池包熱流場的分析與研究，得到以下3個主要結(jié)論.

1) 成組電池單體電池間的最大溫差與放電倍率成正比.考慮到實際汽車運行工況需要，尤其在爬坡、加速等大功率使用的工況下，應設計電池熱管理系統(tǒng)以保證電池組的熱穩(wěn)定性，減小功率的損失和對電池造成的損害.

2) 成組電池的溫度場與單體電池所組成的溫度場沒有直接的疊加關系.在0.5C放電時，電池單體的最大溫差為13.30 ℃，而電池組則達到7.40 ℃.因此，電池組溫度場的均勻性對于電池組壽命和電池性能尤其重要.

3) 通過CFD的數(shù)值模擬仿真方法，可詳細了解電池箱箱體內(nèi)部的流場流向和溫度的總體分布情況.根據(jù)所得出的結(jié)果，對電池箱體的通風冷卻結(jié)構作出部分優(yōu)化，提出了在箱體進口端增加導流板的改進方案，有效地提高了溫度場分布的均勻性.結(jié)果表明，在0.5C放電倍率下的各電池單體最大溫差為7.40 ℃；而在1.0C放電倍率下的各電池單體最大溫差為8.10 ℃.

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(責任編輯： 錢筠英文審校： 崔長彩)

NumericalSimulationandOptimizationDesignofThermalFlowFieldCharacteristicsofLithium-IonBatteryPackforVehicles

HAN Fenggang1，2， PAN huaijie1， PENG Qian1，2， LIN Youhuai2， LIU Sheng1

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Xiamen University of Technology， Xiamen 361024， China；2. Xiamen Vehicle Design & Services Company Limited， Xiamen 361024， China)

10.11830/ISSN.1000-5013.201704076

2017-04-24

韓鋒鋼(1965-)，男，副教授，博士，主要從事新能源汽車研發(fā)、客車整車及零部件CAE分析及輕量化的研究.E-mail:hanfg@xmut.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51505403)； 國家高端外國專家項目(GDT20153600065)； 福建省教育廳客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心2011計劃項目(2016AYF004)； 福建省高校杰出青年科研人才培育計劃項目(2016年度)； 廈門理工學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目(YKJCX2016001)

U 469.72

A

1000-5013(2017)05-0625-07