電池組散熱模型仿真分析及散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化①

廖中文，王海林

(1.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研與產(chǎn)業(yè)服務(wù)處，廣東 廣州 510507；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

1 引言

在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，新能源汽車產(chǎn)業(yè)被寄予厚望，已上升至國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度，成為了不可逆的發(fā)展方向。鋰離子動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車的核心部件之一，因其比能量大、無記憶效應(yīng)、無污染、低維護(hù)性及高循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)受到純電動(dòng)汽車行業(yè)的青睞，成為首選的動(dòng)力來源[1-3]。

動(dòng)力電池在充放電過程中，由于熱效應(yīng)的影響會(huì)帶來溫度上升、溫度不均，甚至溫度失控的情況，嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的行駛安全。同時(shí)，動(dòng)力電池在工作過程中，對(duì)溫度較為敏感，鋰離子電池在高低溫的極端環(huán)境中容易發(fā)生熱失控[4]。空冷是最傳統(tǒng)的冷卻方式，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(battery thermal management system，BTMS)領(lǐng)域，比如豐田普銳斯、比亞迪E6等車型[5]。風(fēng)冷具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便和質(zhì)量可靠等優(yōu)勢(shì),同時(shí)，風(fēng)冷作為技術(shù)基礎(chǔ)，可以配合其他冷卻技術(shù)進(jìn)行耦合散熱或根據(jù)服役工況特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多級(jí)散熱。電池冷卻效果與電池的排列方式、空冷流道形狀和風(fēng)口布置緊密相關(guān)。

本文通過構(gòu)建70粒18650磷酸鐵鋰電池三維熱模型并進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬，對(duì)比分析在自然冷卻狀態(tài)、強(qiáng)制通風(fēng)狀態(tài)及交替進(jìn)風(fēng)散熱三種狀態(tài)下，對(duì)應(yīng)電池組的最高溫度、最大溫差等關(guān)鍵數(shù)字，通過優(yōu)化交替進(jìn)風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，在風(fēng)速2.5 m/s時(shí)，4次交替進(jìn)風(fēng)的溫差比強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的溫差降低了2.4 ℃。

2 電池計(jì)算熱模型構(gòu)建

考慮電池構(gòu)造的復(fù)雜性，熱量傳遞規(guī)律不明顯，為簡(jiǎn)化單體電池建模且不失真實(shí)性，本文做幾點(diǎn)假設(shè)。首先，傳熱方式方面，主要是電池內(nèi)部熱傳導(dǎo)和外部流體與電池表面的熱對(duì)流；其次，構(gòu)成電池的材料均勻性一致，通過的電流相同，溫度梯度分布均勻，同向?qū)嵯禂?shù)相等；再次，熱物性參數(shù)如電池的密度、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)都看作定值，不受外界因素影響。

2.1 電池內(nèi)部熱量傳遞方程

18650磷酸鐵鋰電池內(nèi)部任意微元體的熱量傳遞過程可以用傅里葉定律的三維非穩(wěn)態(tài)熱擴(kuò)散方程表示，如式(1)所示。

(1)

式中，ρ表示電池密度，kg/m3；c表示電池比熱容指標(biāo)，J/(kg·K)；q代表電池單位體積產(chǎn)生的熱量，W/m3；r是電池的半徑，m；λr是電池徑向?qū)嵯禂?shù)；λz是電池軸向?qū)嵯禂?shù)，表示傳熱的快慢，W/(m·K)；T為溫度，K，y為時(shí)間，s。熱物性參數(shù)在仿真時(shí)為常數(shù)，為保證精準(zhǔn)均取平均值。

2.2 電池外部熱量傳遞方程

電池表面與外部流體之間的換熱公式可用牛頓冷卻定律計(jì)算，如式(2)(3)所示。

(2)

(3)

式中，h是對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；T-T∞為物體與周圍介質(zhì)之間的溫差，T是電池表面溫度，T∞是冷卻介質(zhì)的溫度，K。

2.3 計(jì)算流體力學(xué)基本控制方程

考慮到動(dòng)力電池在充放電過程中，鋰離子定向流動(dòng)，在此，借鑒計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)，流體運(yùn)動(dòng)和傳熱滿足三大基本守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律(Han et al.,2015)。體現(xiàn)在以下控制方程中。

(1)質(zhì)量守恒定律。在經(jīng)典力學(xué)的框架下，在一個(gè)封閉體系中，任何一種物理或化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)前后的質(zhì)量是不變的。在流體力學(xué)中，流場(chǎng)單位時(shí)間內(nèi)流入與流出的質(zhì)量相同。方程表述為：

(4)

式中，ux，uy，uz分別表示流體在三維坐標(biāo)系中x，y，z三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的速度分量；ρ為流體密度，t為時(shí)間。一般密度ρ為常數(shù)，則方程又可以表示為：

(5)

(2)動(dòng)量守恒定律。取流體中的一個(gè)微元，其受到的所有外力之和等同于總動(dòng)量對(duì)時(shí)間求得的變化率，即系統(tǒng)總動(dòng)量守恒。且牛頓第二定律適用于動(dòng)量控制方程。三維方向上的控制方程為：

(6)

(7)

(8)

式中，ρ為流體密度；P為壓力；fx、fy、fz為流體單元質(zhì)量力在三維方向上的分量；τxx、τyx、τzx為動(dòng)力粘度的分量。

(3)能量守恒定律。能量守恒定律的本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律。流體系統(tǒng)熱量的變化與外力做的功等同于流體系統(tǒng)的總能量變化。控制方程如下：

(9)

式中，q為生熱速率；c為比熱容；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度，t為時(shí)間；Qt為由流體內(nèi)部摩擦把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為部分熱能的熱源項(xiàng)；ux，uy，uz分別表示流體在三維坐標(biāo)系中x，y，z三個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的速度分量。

3 電池組三維熱模型構(gòu)建

采用有限元軟件ANSYS自帶Workbench-SpaceClaim進(jìn)行建模。電池組箱體尺寸長(zhǎng)×寬×高=270 mm×180 mm×95 mm，電池模組由70節(jié)單體電池組建而成，處在箱體中心位置，在保持真實(shí)的情況下，電池材料質(zhì)地做均一化處理，省去帽頭、底蓋和泄壓孔等，將電池視為一個(gè)均勻發(fā)熱圓柱體，電池單體間隙為2 mm，如圖1(a)所示。網(wǎng)格模型在Workbench-Mesh模塊生成，采用四面體網(wǎng)格劃分，劃分后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，不能出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，網(wǎng)格正交性高于0.2，保證計(jì)算精度，網(wǎng)格模型如圖1(b)所示。整個(gè)模型共劃分了1 729 702個(gè)單元，541 579個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖1 電池組模型(a)幾何模型；(b)網(wǎng)格模型Fig.1 Battery model.(a) Geometric model；(b) Mesh model.

4 電池組風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

某國(guó)產(chǎn)電動(dòng)汽車電池組放電測(cè)試時(shí)，在自然冷卻條件下，放電完成最高溫度47.8 ℃，最低溫度36.6 ℃，溫差11.2 ℃，電池組中心區(qū)域溫度最高；在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)，最高溫度45.5 ℃，最低溫度27.3 ℃，溫差為18.2 ℃；風(fēng)速為10 m/s時(shí)，最高溫度38.1 ℃，最低溫度26.1 ℃，溫差12 ℃，溫差仍較大，如圖2—3所示。

圖2 風(fēng)速為2.5 m/s時(shí)電池組溫度云Fig.2 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 2.5 m/s.

圖3 風(fēng)速為10 m/s時(shí)電池組溫度云Fig.3 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 10 m/s.

基于此，為提高溫度均勻性，在強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種電池組交替進(jìn)風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)。在電池箱體進(jìn)風(fēng)口位置處加裝一個(gè)左右互通的管道，如圖4所示。除進(jìn)風(fēng)口外，一共有四個(gè)開關(guān)控制冷卻空氣的流向，開關(guān)1、4是一組，2、3是一組。當(dāng)1、4打開且2、3關(guān)閉時(shí)，冷卻空氣通過管道由左邊流向右邊；當(dāng)1、4關(guān)閉且2、3打開時(shí)，冷卻空氣通過管道由右邊流向左邊，交替開啟與關(guān)閉直到放電完全結(jié)束。本文定義冷卻空氣通過管道由左邊開關(guān)1流向右邊出風(fēng)口4的時(shí)間為一次交替，即指開啟與關(guān)閉同一組開關(guān)的間隔時(shí)間。由于電池組完全放電需要3 600 s，現(xiàn)設(shè)置交替次數(shù)分別為1次、2次、3次、4次，對(duì)應(yīng)交替時(shí)間分別為3 600 s、1 800 s、1 200 s、900 s。網(wǎng)格劃分如圖5所示，建模方法同強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，風(fēng)速設(shè)置為2.5 m/s。

圖4 交替進(jìn)風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structure diagram of alternate air intake heat dissipation.

圖5 網(wǎng)格劃分示意Fig.5 Structure diagram of mesh generation.

圖6是電池完全放電后4種交替的電池組溫度云圖以及整個(gè)結(jié)構(gòu)y=47.5 mm處的橫截面溫度云圖。根據(jù)云圖可以看出電池組1次和3次交替溫度整體趨勢(shì)變化一致，2次和4次交替溫度整體趨勢(shì)變化一致，基本上隨著冷卻空氣的經(jīng)過溫度越來越高，電池組離進(jìn)風(fēng)口越遠(yuǎn)溫度越高，中心偏下游的電池組溫度最高。1次交替最高溫度為45 ℃，最低溫度27.6 ℃，溫差17.4 ℃。2次交替最高溫度為44.7 ℃，最低溫度27.8 ℃，溫差16.9 ℃。3次交替最高溫度為44.5 ℃，最低溫度28.1 ℃，溫差16.4 ℃。4次交替最高溫度為44.2 ℃，最低溫度28.4 ℃，溫差15.8 ℃。可以得出當(dāng)4次交替，交替時(shí)間每次900 s時(shí)最高溫度最低，溫差最小。電池組最高溫度在不同的交替次數(shù)上雖然有一定降低但變化不是特別明顯。冷卻空氣與電池?fù)Q熱，空氣升溫，由于交替進(jìn)風(fēng)策略改變了進(jìn)風(fēng)流向，導(dǎo)致電池組低溫區(qū)域受到被加熱空氣的影響，低溫區(qū)域溫度稍有上升，降低了整體的溫差。

在風(fēng)速2.5 m/s條件下，通過對(duì)比交替進(jìn)風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)與強(qiáng)制散熱結(jié)構(gòu)的散熱效果，不難發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)制風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)最高溫度為45.5 ℃，最低溫度為27.3 ℃，溫差為18.2 ℃，4次交替進(jìn)風(fēng)的溫差比強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的溫差小了2.4 ℃，效果明顯。交替進(jìn)風(fēng)冷卻改善了電池組風(fēng)冷散熱的均勻性，在降低電池組溫度積聚方面起到一定的作用。

5 結(jié)論

動(dòng)力電池的熱管理問題是制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)之一，本文通過優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種電池組交替進(jìn)風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)控制冷卻空氣的流向，在完全放電時(shí)間下控制交替時(shí)間的長(zhǎng)短與次數(shù)。最終4次交替進(jìn)風(fēng)的溫差比強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的溫差小了2.4 ℃，各種進(jìn)風(fēng)條件下的散熱效果數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。交替進(jìn)風(fēng)冷卻改善了電池組風(fēng)冷散熱的均勻性，能有效控制溫差，在降低電池組溫度積聚區(qū)域起到一定的作用，達(dá)到了更好的散熱效果。

表1 各種進(jìn)風(fēng)條件下的散熱效果數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 Comparison of heat dissipation effect data under various air inlet conditions.