基于COMSOL Multiphysics的動力電池組散熱仿真

黃錫偉，戴海燕，胡樂祥，朱雋隆，黃曉強(qiáng)，楊增穎，李長玉

（廣州城市理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

動力電池組作為純電動汽車（Electric Vehicle,EV）唯一的動力來源，其性能對 EV性能有著至關(guān)重要的影響。鋰離子電池因其諸多優(yōu)點(diǎn)，成為組成動力電池組的主導(dǎo)電源。但由于鋰離子電池單體在幾何空間上受到排布的限制，且鋰離子電池在充放電過程中易生成大量的熱量，若散熱不及時，使得熱量集聚電池模組溫度上升，將會導(dǎo)致電池模組中各電池模塊之間的溫度分布不均勻，從而影響電池的一致性，導(dǎo)致動力電池組的性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時會降低電池的使用壽命，易引起安全事故。因此合理的設(shè)計(jì)動力電池組的散熱模型，保證電池組的最佳使用性能顯得尤為重要。根據(jù)使用傳熱介質(zhì)不同可以將散熱分為三類：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和幾種方法結(jié)合的方式。采用空氣冷卻方式獲得的冷卻效果較差，但是相對于其他冷卻結(jié)構(gòu)，空氣冷卻結(jié)構(gòu)在成本、輕量化和安全性方面具有一定的優(yōu)勢。研究表明空氣冷卻安全性更高，且空氣冷卻方法可以達(dá)到電動汽車的要求。目前國內(nèi)對汽車電池包的散熱多采用空氣冷卻方式，柯堅(jiān)等針對電池包的形狀及電池排布，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法尋找最優(yōu)電池間隙，獲得最佳的電池排列方式。陳俊宇等利用ANAYS軟件仿真，通過增加電池組到風(fēng)扇距離和增加濾板表明電池組散熱效果得到明顯提升。胡寧等通過仿真分析，得到電池組平均溫度及溫差隨進(jìn)口風(fēng)速的提高可有效降低電池組平均溫度。目前電池組的散熱一般采用風(fēng)機(jī)抽吸式冷卻結(jié)構(gòu)，但使用風(fēng)扇、抽風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)或散熱器等設(shè)備對電池組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻散熱時，都會額外的消耗電池組的電能，使得電池的有效利用率降低。如果利用汽車行駛時流入電池的空氣對電池進(jìn)行自然冷卻，在減少額外電能的使用下，也可對動力電池組起到冷卻作用。

考慮到成本、輕量化和安全性這 3個方面，本文選擇空氣冷卻方式的電池箱作為研究對象。并基于COMSOL Multiphysics軟件，使用18650型號的圓柱形鋰離子電池單體組成 4×5的電池組。通過改變電池放電倍率、入口風(fēng)速和傳熱系數(shù)，仿真比較電池組進(jìn)行空冷散熱方式時不同送風(fēng)方式下采用自然冷卻和強(qiáng)制冷卻的散熱效果。

1 模型建立

1.1 電池?zé)崮Ｐ?/h3>

通常為了簡化電池?zé)崮Ｐ偷挠?jì)算，我們需要對電池做如下簡化。電池各性能參數(shù)不隨溫度變化而發(fā)生改變；電池內(nèi)各部分的材料均勻；同一材料比熱容相等且同一方向各處的傳熱系數(shù)為同一數(shù)值。于是得到式（1）所示的電池的三維直角坐標(biāo)傳熱模型。

式中，為密度；為比熱容；為溫度；為時間；為生熱速率；K、K、K為導(dǎo)熱系數(shù)。

在對電池平均導(dǎo)熱系數(shù)、平均比熱和平均密度這些熱物參數(shù)的計(jì)算中，由于電池內(nèi)為多組分的電解質(zhì)且各導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)為各向異性。故在模型建立中，通過式（2）（3）分別計(jì)算電池徑向（K）和角度方向（K）的導(dǎo)熱系數(shù)為

式中，L為單體電池不同組成層的厚度；K為單體電池不同組成層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)難以準(zhǔn)確地獲得電池組的生熱速率，因此，當(dāng)前常用BERNARDI提出的生熱速率模型來估算電池的生熱速率，估算公式為

當(dāng)電池組溫度處于平衡狀態(tài)時，由牛頓冷卻公式得

式中，為電池外部溫度；為周圍流體溫度；為電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本文根據(jù) PESARAN和MAHAMUD的研究總結(jié)，對于自然冷卻時取 5 W/(m·K)，強(qiáng)制冷卻時取 25 W/(m·K)。

1.2 幾何模型建立

本文在電池組的仿真研究中，主要為研究電池模組整體的熱行為，且模型建立中為避免實(shí)物進(jìn)行數(shù)值模擬時所帶來的困難，同時降低網(wǎng)格劃分的密集度，保證良好的網(wǎng)格劃分精度，提高計(jì)算的收斂性，減少計(jì)算時間。因此在對電池模組進(jìn)行組建時忽略電池次要的發(fā)熱結(jié)構(gòu)，考慮電池主要熱源，對電池模組進(jìn)行一定的簡化是必要的。簡化后的模型在保證電池模組計(jì)算準(zhǔn)確性的同時降低模型的復(fù)雜度。本文選取18650錳酸鋰電池，各電池單體間隙為3.6 mm，并采用20個電池單體組成 4×5的電池模組。由戴海燕，李長玉等通過仿真分析不同排列方式，對比得到采用交叉排列方案進(jìn)行散熱優(yōu)于對齊排列，故本文各散熱通道內(nèi)的電池模組采用交叉排列方式。基于COMSOL對本文研究所需電池模組的幾何模型三維實(shí)體建模如圖1、圖2所示。

圖1 電池組串行通風(fēng)散熱幾何模型

圖2 電池組并行通風(fēng)散熱幾何模型

1.3 網(wǎng)格模型建立

在建立完電池模組幾何模型后，本文基于COMSOL軟件自帶的網(wǎng)格分析對模組進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在網(wǎng)格設(shè)置中采用用戶設(shè)置網(wǎng)格類型。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時對網(wǎng)格準(zhǔn)確度進(jìn)行的一定的簡化，適當(dāng)?shù)臏p低網(wǎng)格的精細(xì)度，以提高計(jì)算的收斂度，降低計(jì)算時間。本文研究所需幾何模型網(wǎng)格劃分完成后總網(wǎng)格數(shù)分別為144 804、164 324，劃分結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 電池組串行通風(fēng)散熱幾何模型網(wǎng)格劃分

圖4 電池組并行通風(fēng)散熱幾何模型網(wǎng)格劃分

由于電池組內(nèi)各個單體電池排布位置的不同，溫升情況也有差別，對電池組的使用壽命造成不同影響，因此，對比電池組中電池不同位置的表面溫度，對電池組中部分電池頂部進(jìn)行取點(diǎn)研究對比，其中點(diǎn)—點(diǎn)在電池模組幾何模型的俯視圖位置如圖5所示。

圖5 電池模組幾何模型俯視圖

1.4 初始條件及邊界條件設(shè)置

初始條件：電池組的熱源通過非局部耦合積分變量設(shè)為產(chǎn)生的熱量的平均值。電池組及入口邊界指定初始溫度為298.15 K（25 ℃）；出口處設(shè)置為流出條件，其他外部邊界為隔熱。

邊界條件：入口邊界設(shè)置入口流速為0.1 m/s；出口邊界設(shè)置為 1個大氣壓的壓力；對稱平面上設(shè)置為對稱邊界條件；電池壁面設(shè)置為“無滑移”條件。

本文分三步求解溫度隨時間變化的問題，第一步求解處于298.15 K（25 ℃）時的穩(wěn)態(tài)流動。第二步求解=0 時電池模型中的電位。第三步對整個溫度隨時間變化問題進(jìn)行瞬態(tài)研究，并利用方波函數(shù)設(shè)置不同放電倍率下的充放電電流，循環(huán)時間為600 s，隨后是1 500 s后的松弛期。

2 結(jié)果與分析

在完成上述建模后，開始對電池組溫度場特性進(jìn)行求解。由于電動汽車在實(shí)際運(yùn)行中電池狀態(tài)復(fù)雜性較高，為結(jié)合電動汽車的實(shí)際運(yùn)行工況，將電池工作狀態(tài)劃分為1C－4C四個擋位，對電池組不同放電倍率下的散熱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真。

利用COMSOL Multiphysics軟件仿真計(jì)算電池組在同一放電倍率下采用不同送風(fēng)通道時，分別在空氣自然冷卻和強(qiáng)制冷卻作用下電池組的溫度場特性。對于自然冷卻時取5 W/(m·K)，強(qiáng)制冷卻時取 25 W/(m·K)。

本文將電池理想最高溫度設(shè)為小于 40 ℃（313.15 K），溫差小于5 ℃。

2.1 空氣自然冷卻時不同送風(fēng)通道下電池組的溫度分布

本文首先研究采用空氣自然冷卻時電池組在不同放電倍率下，工作循環(huán)1 500 s后，處于串行通道和并行通道兩種結(jié)構(gòu)下電池組的溫度分布。

圖6、圖7分別為不同通道結(jié)構(gòu)、放電倍率下，在1 500 s時電池組表面溫度分布云圖和電池組表面溫度隨時間變化的最高溫度曲線，在不同結(jié)構(gòu)和放電倍率下溫度趨于一致，從入風(fēng)口（左）至出風(fēng)口（右），溫度逐漸升高。進(jìn)行空氣自然冷卻在同樣的初始條件下，電池組以同一放電倍率恒流放電時，在不同送風(fēng)通道下溫度分布各不相同。處于串行通道下的電池組其最高溫度相較于并行通道的更低，可見其散熱性能相對更好。隨著電池放電倍率逐步增大，處于不同送風(fēng)通道的電池組整體溫度也逐漸升高，且在放電倍率大于3C后，其最高溫度已超出我們所預(yù)設(shè)的最高溫度40 ℃（313.15 K），而電池溫度過高可能導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控引發(fā)電池燃燒，帶來安全隱患。

圖6 自然冷卻時不同送風(fēng)通道結(jié)構(gòu)下電池組表面溫度分布云圖

圖7 最高溫度隨時間變化曲線圖

圖8為點(diǎn)－在不同放電倍率下工作到達(dá)1 500 s時的最高溫度，隨著電池放電倍率的增加，參考點(diǎn)的溫度逐漸升高，點(diǎn)－之間的溫差增大，溫度一致性逐漸變差，且在較大放電倍率下其最大溫差超過了5 ℃。處于串聯(lián)通道下所取點(diǎn)的溫差大于處于并行通道下的，可見串行通道下的電池模組其一致性不如并行通道的。為使電池組在更舒適的環(huán)境下工作，有必要對電池組的散熱做更進(jìn)一步的研究。

圖8 不同放電倍率下點(diǎn)A－F溫度圖

2.2 強(qiáng)制冷卻下電池組溫度分布

經(jīng)上述仿真分析后，為使電池組在更舒適的環(huán)境下工作，故本研究對處于并行通道結(jié)構(gòu)的電池組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻散熱仿真。

首先設(shè)入口速度=1 m/s，傳熱系數(shù)= 25 W/(m·K)。在不同放電倍率下電池組在1 500 s后達(dá)到溫度平衡時的電池組表面溫度分布云圖及其最高溫度隨時間變化曲線，分別如圖9、圖10所示。

圖9 并行通道下不同放電倍率工作時電池組表面溫度分布云圖

圖10 最高溫度隨時間變化曲線圖

從結(jié)果可以看出，對比圖 7自然冷卻下處于并行通道的電池組的最高溫度，在處于相同放電倍率時電池組溫度都有所降低，可見電池組的散熱性能得到了一定的提升。但在4C電池放電倍率下電池組的最高溫度仍高于本研究所設(shè)置的最高溫度40 ℃（313.15 K），且當(dāng)放電倍率大于2C時，電池組溫差超過了5 ℃。

故為進(jìn)一步的提高電池組的散熱性能，通過增大傳熱系數(shù)，分別取=30 W/(m·K)、35 W/(m·K)、40 W/(m·K)、45 W/(m·K)。探究傳熱系數(shù)對電池組溫度場的影響，并在4C放電倍率下，仿真計(jì)算電池組溫度能否控制到理想范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖11、表1所示。

圖11 強(qiáng)制冷卻下不同對流傳熱系數(shù)時電池組的溫度分布

表1 強(qiáng)制冷卻下不同對流傳熱系數(shù)時電池組的最高溫度及溫差

由圖11、表1可知，將電池表面對流傳熱系數(shù)，從30 W/m2·K升高到45 W/m2·K時，隨著對流傳熱系數(shù)的逐漸增大，電池組溫度及溫差均逐漸降低。但電池組溫度及溫差并未有過多的變化，電池組最高溫度僅下降了0.163 K，溫差僅下降了0.14 K。可見通過增加對流傳熱系數(shù)并不能使電池組處于舒適的環(huán)境里工作，反而隨著對流傳熱系數(shù)的增大，風(fēng)機(jī)的速率也會跟著增大，相應(yīng)地會消耗電池更多的電量。

2.3 不同入口風(fēng)速對電池組溫度的影響

由上述仿真結(jié)果分析可知，電池組采用強(qiáng)制冷卻和增大對流傳熱系數(shù)的方法來改善電池組散熱性能時，對處于較高放電倍率下工作的電池組并不能起到較好的散熱效果，其電池組最高溫度及溫差均超出理想的溫度范圍。因此，嘗試改變?nèi)肟陲L(fēng)速來進(jìn)一步提高電池組散熱性能。

下文研究取入口風(fēng)速分別為3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s，對流傳熱系數(shù)取 25 W/（m·K），電池組在4C放電倍率下工作1 500 s時電池組的仿真結(jié)果如圖12、表2所示。

圖12 強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時電池組表面溫度分布云圖

表2 強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時電池組的最高溫度及溫差

圖12、表2為強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時電池組的最高溫度和溫差，在強(qiáng)制冷卻下隨著入口風(fēng)速的增大，電池組的最高溫度及溫差得到了明顯的降低。在入口風(fēng)速=3 m/s時，電池組最高溫度為37.049 ℃，達(dá)到了本文研究的理想溫度范圍內(nèi)，而在入口風(fēng)速到達(dá)10 m/s時，電池組溫差達(dá)到了本文研究的理想溫差范圍內(nèi)。

圖13、14分別為不同入口風(fēng)速下，點(diǎn)－的溫度圖和電池組的平均溫度曲線圖。隨著入口風(fēng)速的提高點(diǎn)－的溫度一致性逐漸變好，各取點(diǎn)間的溫差變小，電池模組整體的平均溫度也在逐漸降低，可知隨著入口風(fēng)速的增大電池組的散熱性能得到了提高。而在4C放電倍率下以=10 m/s的風(fēng)速強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，能夠使電池組達(dá)到最佳理想的散熱效果，將溫度及溫差控制在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。

圖13 不同入口風(fēng)速下點(diǎn)A-F的溫度圖

圖14 不同入口風(fēng)速下電池組的平均溫度曲線圖

3 結(jié)束語

本文基于COMSOL Multiphysics軟件，仿真分析電池組在不同條件、不同放電倍率下的電池組表面溫度分布，根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）電池組處于不同結(jié)構(gòu)和放電倍率下電池表面溫度趨于一致，從入風(fēng)口至出風(fēng)口，溫度逐漸升高汽車。動力電池組在低放電倍率（≤2）下工作時，采用自然冷卻對電池組進(jìn)行散熱能滿足基本的散熱要求，且在串行通道內(nèi)進(jìn)行自然冷卻優(yōu)于在并行通道內(nèi)進(jìn)行。在考慮汽車動力電池組運(yùn)行于低放電倍率時，可以對處于串行通道結(jié)構(gòu)下的自然冷卻做一定的研究和結(jié)合，以此降低電池的能量消耗，提高電池的有效利用率。

（2）增大電池表面對流傳熱系數(shù)對降低電池組溫度的影響較小。不能使電池組處于舒適和工作環(huán)境內(nèi)，且會給電池帶來更多的電能消耗，降低電池的有效利用率。

（3）強(qiáng)制冷卻下增大入口風(fēng)速能夠有效地提高電池組的散熱性能，可以使電池組的溫度及溫差降低到理想的溫度范圍內(nèi)。但較高的風(fēng)速會給電池帶來額外的電量消耗且風(fēng)扇會產(chǎn)生較大的噪音。