基于FEA的電動汽車電池模組散熱結構設計與分析

徐子祥，戴嘉杰，翟豪瑞，劉文迪，萬海建，王 安，熊 新

基于FEA的電動汽車電池模組散熱結構設計與分析

徐子祥，戴嘉杰，翟豪瑞*，劉文迪，萬海建，王 安，熊 新

（鹽城工學院 汽車工程學院，江蘇 鹽城 224051）

論文設計了一套適用于電動汽車的模組結構并分析驗證了其水冷散熱效能。首先建立單節電芯的熱模型，然后建立絕熱模組產熱模型，了解模組的溫升及溫差情況后，在自然放電的情況下，施加水冷散熱，分析水流不同的換熱量對電池模組溫度變化的影響。最終分析得出，設計的模組結構使用水冷散熱效果明顯，能夠較快地降低電池模塊溫度。

電池模組；水冷散熱；電動汽車；有限元分析

電動汽車的安全性是設計時最為重要的因素，尤其是電池的安全性能，其危險性主要表現在冷卻系統不安全、擠壓碰撞不安全、充電不安全等方面，這些方面都有可能引起電池過熱而起火自燃。隨著電動車技術的發展、動力和續航的提升，電池的熱失控風險與日俱增，國家標準要求電池箱體滿足IP67，因此，傳統的風冷方式不適用于新型電池箱。鑒于此，本文針對水冷散熱系統，優化設計了新的電池模組。同時，借助ANSYS軟件分析了水冷散熱的效果。

1 鋰離子電池的熱特性分析

鋰電池發生充放電反應時，隨著化學反應的進行，內部的鋰離子持續地在正負極之間移動，同時伴隨著以放熱為主的吸、放熱反應。鋰離子電池的產熱速度還因不同使用條件而存在一定差異，這些條件包括充放電倍率、環境溫度、電池壽命、電池連接情況等。

鋰離子電池的具體產熱反應包括四個：電池內部化學反應而產生的反應熱、電池內阻存在而產生的焦耳熱、電池極化反應而產生的極化內阻熱、電解質分解等產生的副反應熱。其中副反應熱屬于電池自放熱，產熱很少，可忽略不計[1]。

1.1 化學反應熱Qr

充放電過程中，鋰離子不斷穿過隔膜游離于正負極之間，反應物與生成物之間來回轉化，同時滿足能量守恒定律。即充電時，電池吸熱，化學反應熱為負值；放電時，電池放熱，化學反應為正值。產熱表達式[2]為

式中，為鋰離子單體電池個數；為鋰離子單體電池正負極質量，g；為鋰離子單體電池正負極進行電化學反應釋放熱量的代數和，J；為充放電電流，A；為摩爾質量，g/mol。

1.2 焦耳熱Qj

在充放電的過程中，電池內部電極材料和隔膜共同構成了電池內阻，由此歐姆內阻產生的熱便是焦耳熱。它是電池產熱的主要來源，且與電池的使用情況關系較小。表達式為[3]

j=2x（2）

式中，為充放電時的電流，A；x為電池內部的歐姆內阻，Ω。

1.3 極化反應熱QP

電池內部存在電流時，電池電壓就會失衡，其開路電壓和端電壓之間會產生壓降，產生的容差極化內阻就會生成極化反應熱。極化反應熱在充放電過程的后期極為明顯，同時深受充放電倍率，溫度的影響，其表達式為

p=2y（3）

式中，為充放電時的電流，A；y為電池的極化內阻，Ω。

2 電池模組設計

電池模組是電動汽車動力源的基本組織單位，由電芯集合而成，包括電芯支架、銅排、電池管理系統（Battery Management System, BMS）、水冷系統等。因此，模組的設計直接決定了電池的抗負載性、恒溫性等其他各種安全性能，模組設計也間接決定了電池包的大小形狀和布置形式，甚至整車的重心。

2.1 模組設計的基本原則

1.高能量密度原則

提高動力電池包能量密度，以滿足電動汽車行駛里程。提高動力電池包能量密度的方法有兩種：一是提高成組效率，二是采用更高能量密度的電芯。

2.輕量化設計原則

通過動力電池包的輕量化來大幅度提升能量密度已經成為行業內的主流方向。除了盡可能降低電芯本身的能量密度，還有很多細節上的改善方法，比如減少不必要配件，部分采用鋁板或碳纖維等新型材料等。

3.安全化設計原則

動力電池包安全防護的根本原則：阻止電能和化學能在系統正常運行狀態以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來的危害。動力電池包的安全設計要求合理布局，具備良好的冷卻系統和可靠的結構設計。模塊需要安裝固定的位置，對電池單體的各個部位要有相應的固定措施，尤其是極耳部分[4]。

4.熱管理設計原則

動力電池模組應能適應不同氣候下的正常運行，如在高溫時開啟制冷系統降低動力電池包溫度，低溫時開啟加熱系統保證動力電池包的正常充放電。

2.2 模組設計概括

內部電芯為標準的18650圓柱形電芯，模組的串并方式為4串32并，用作電動汽車或混合動力汽車的儲能裝置。對于一噸的車，這種模組串聯個二十個能連續運行超過一百公里。模型主要由電芯、鎳片、銅排、采樣線、防護蓋、端蓋、側板金等構成，三維模型如圖1所示。

圖1 電池模組

3 電池的熱仿真

上文介紹了電池的產熱機理，接下來主要是建立電池的熱仿真模型并分析電池溫度隨放電電流、時間的變化。

3.1 電池熱仿真模型的建立

電池各部分之間產熱效率各不相同，傳熱速度也不相同，這給建立電池產熱模型帶來了很大難度。因此，設定一種情況，即電池內部質量密度處處相等；電池內部是均勻的發熱源，在同一方向的導熱系數恒定；電池各處比熱容相等。

貝爾納迪（Bernardi）生熱速率模型是應用最廣泛的電池生熱模型，其生熱速率公式生熱速率表達式為

密度公式為

電池比熱容得到利用質量加權性的方法，該電池主要由鋁殼、正極活性物質、負極活性物質、隔離膜、電解液等組成，如果在進行熱模型仿真時，將電池內部混合材料均勻化，會很大程度上減輕計算難度，電池內芯的比熱容表達式為

式中，為電池單體總質量；C為電池各部分材料的比熱容；m為電池各部分材料的質量。

同樣，每種材料的導熱性均不相同，無法單獨設置。對于電池的內部結構，考慮其繞卷的加工方式，對電芯三個方向的導熱系數做不同計算，計算公式[5]：

式中，λ、λ、λ分別為電池沿、、軸方向的平均導熱系數；λ為內芯各部分材料的導熱系數；L、L分別為垂直于電池卷繞方向和平行于電池卷繞方向的厚度；d、d分別為沿、軸內電芯各部分材料的厚度。

模組主要結構材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile, Butadiene, Styrene, ABS）塑料、銅、電芯、鋁合金，其主要熱特性參數如表1所示。

表1 不同材料熱特性參數

材料密度/(kg/m3)導熱系數/[W/(m·K)]比熱容/[J/(kg·K)] ABS1.10.251 470 銅8 900381390 電芯2 181X=2.3X=0.6X=0.6960 鋁2 700273880

3.2 模型仿真結果

電芯內部采用了Body Sizing的方法，其中在Body Sizing中，Element Size設置為8 mm，總Mesh中的Relevance相關性保持原來的狀態0，其中支架的網格劃分方法和電芯內部的網格劃分方法一致，其生成網格的平均質量分別為0.76、0.75、0.72，滿足0.70的標準要求。

接著設置初始條件，其初始溫度模擬的是 10 ℃，初始設置條件設置好后，再設置求解條件，首先計算出電芯的內分析過程中，忽略可逆熱，只考慮散熱較大的直流內阻熱（歐姆內阻熱和極化反應熱），通過對電芯的檢測報告研究可得，內阻在1.9 mΩ左右（忽略起步、加速、減速等特殊路況），保持一種平穩的放電狀態。

電流暫取50 A（約16 C放電）。單節電芯電阻取1 mΩ（歐姆內阻0.4 mΩ和極化內阻0.6 mΩ），則得出內發熱為12 000 W/m3。

設單節18650電芯初始溫度為25 ℃，16 C連續放電2 h，結果如圖2所示。

圖2 單節電池溫度

可知，在完全隔熱狀態下，電芯溫度的上升極為迅速。

設模組初始溫度為25 ℃，16 C連續放電2 h，模組溫度如圖3所示。

圖3 模組溫度

圖中模組最高溫度為54.2 ℃，最大溫差為4.2 ℃，相對看電芯之間的溫度差不到3 ℃。正常電池合理的工作溫度范圍在0～50 ℃，分析可知16 C放電2 h（初始溫度25 ℃）時，溫度超限，極容易發生熱失控，造成危害，因此散熱工作至關重要。考慮電池模組的密封性和防水性，選擇水冷散熱。

4 電池水冷系統設計

目前應用最為廣泛的電池組的熱管理裝置是冷卻板和冷卻管，前者鋪在模組四周，后者深入電芯周圍，冷卻管適用于圓柱形鋰電池，冷卻板適用于方形鋰電池。管道內的冷卻液由水、乙二醇和添加劑的混合物構成，取50%的水和50%的乙二醇，其密度為1 071.11 kg/m3，比熱容為3.780 9 J/(kg·K)。冷卻管采用導熱系數較高、成本較低的鋁材料，其導熱系數237 W/(m·K)。

4.1 水冷散熱理論

忽略流體在導管內的機械能損失，假設流速處處相等，得流體質量流量為

=（8）

式中，為冷卻液密度，kg/m3；為導管橫截面面積，m2；為流體流速，m/s；為時間，s。

流體與外部換熱量：

=p(1-2) （9）

式中，p為冷卻液比熱容，J/(kg·K)；1為流體的最高溫度，℃；2為外部溫度，℃。

4.2 水冷系統結構設計

仿真過程使用如圖4所示的平行通道冷卻板結構，板上管道即是冷卻液流動管道。冷卻板內的流道結構采用平行通道結構，這種結構設計最為簡單，并且易于加工，只需在冷卻板上鉆孔即可[6]。

圖4 平行通道冷卻板結構

在冷卻板的結構尺寸中，冷卻板壁還附有支撐作用，其厚度需滿足一定標準，管道寬度、深度、數量等因素都會影響水流動的速度、流量，從而影響散熱效果[7]。如果散熱板內流量分配不均勻，部分電芯未涉及，那么每塊散熱板散熱性能也會不同，會導致電池組內部電池單體的溫度分布不均勻，從而加速了電池組的一致性變差。所以散熱板結構設計至關重要，合理的設計可以提高效率，減少能量損耗。

4.3 水冷系統散熱分析及影響因素

考慮到水流量與散熱量的非線性關系，本文以流體的換熱量為自變量，分析對電池散熱的影響。這樣的優點是對于水冷管的形狀、位置、總體積和水流速的大小、流速不均等進行宏觀考慮[8]。

對產熱的模組施加20 J的散熱量，設初始溫度為15 ℃，持續工作2 h，模組溫度（刨面處理）結果在圖5中呈現。

圖5 模組溫度

可知，在電芯內部達到最高溫度時，相關散熱部分是最低溫度，模組內最大溫差約為6 ℃。相對于圖3，電池整體溫度值有明顯下降，同時模組內部溫差擴大，呈現“中熱外冷”的情況。可推斷，若要保證電池的溫差少于3 ℃，水冷板的結構設計是不夠的，不容易平衡模組各處熱量，當然，合理的模組結構應以水冷管為主，其難度也較大，需要在此之間達到一種平衡。

再分別分析在60 J、95 J、140 J、170 J、180 J、200 J的換熱量下，同樣設初始溫度為15 ℃，工作時長2 h。整理得到圖6溫度隨換熱量的變化曲線。

圖6 溫度隨換熱量的變化曲線

由圖6可知，隨著換熱量的增大電池模塊的最高溫度在逐漸降低，當水流量最大時，電池模塊的最高溫度取得值最小為 25.7 ℃，最大溫升為15.7 ℃，整個模塊的溫度場溫差最大為 7.7 ℃。由此可以看出，較大換熱量對模組最高溫度的降低效果比較小，但換熱量的效果明顯，且模組最低溫度變化較小。

5 總結

1）水冷散熱的效果明顯，可有效防止電池的熱失控，但管道內的水不能泄露，應布置在模組不受力的地方。

2）局部、快速的模組散熱處理會加大電池的溫差，造成電池產生不同的工況，會減少電池的一致性。因此，散熱效率應智能控制、與產熱相適應。

3）模組內部結構，尤其是材料導熱性會極大影響模組溫差，一方面，選用導熱性能好的材料使用；另一方面，在模組空白處適當使用導熱膠等材料。

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Design and Analysis of Heat Dissipation Structure of a Battery Module for Electric Vehicles Based on FEA

XU Zixiang, DAI Jiajie, ZHAI Haorui*, LIU Wendi, WAN Haijian, WANG An, XIONG Xin

( School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China )

This paper designs a set of module structure suitable for electric vehicles and analyzes its water-cooling and heat dissipation efficiency. Firstly, establishes the heat model of single cell, and then the heat generation model of adiabatic module is built. After considering the situation of temperature rise and difference of the module, water-cooling is applied to dissipate heat under the condition of natural discharge, and the change of temperature of the battery module under different heat transfer of water flow is analyzed. The final analysis shows that the heat dissipation effect of using water-cooling for this module structure is obvious, which can quickly reduce the temperature of the battery module.

Battery module; Water-cooling heat dissipation; Electric vehicles; Finite element analysis

U469.72

A

1671-7988(2023)11-01-05

徐子祥（2001－），男，研究方向為新能源汽車電池CFD仿真分析，E-mail:1756343795@qq.com。

翟豪瑞（1990－），男，博士，研究方向為汽車零部件成型及模具成型技術，E-mail:18251423907@163.com。

江蘇省大學生創新創業項目（202110305042Y）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.001