電動(dòng)汽車電池散熱分析

鄭 鑫，喬 鑫，孔繁華，李 飛

（華晨汽車工程研究院 車身CAE工程室，沈陽 110141）

0 引 言

純電動(dòng)汽車具有環(huán)境污染小，噪聲低，能源利用率高，結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，備受廣大用戶的關(guān)注。電動(dòng)車的電池為鐵鋰電池，鋰離子動(dòng)力電池因其優(yōu)越的功率輸出特性和壽命長等特點(diǎn)，目前在汽車電池箱中得到廣泛的應(yīng)用。但鋰的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，對(duì)溫度變化較敏感，而且車輛上的裝載空間有限，大量電池緊密排列連接，當(dāng)車輛在高速、低速等不同行駛狀況下運(yùn)行時(shí)，電池會(huì)以不同倍率放電，生熱速率不同，隨著時(shí)間積累及空間影響會(huì)產(chǎn)生不均勻熱量聚集，導(dǎo)致電池組運(yùn)行環(huán)境溫度復(fù)雜多變，很容易燃燒。當(dāng)電池充放電時(shí)，電池內(nèi)部持續(xù)升溫，若散熱不好，會(huì)產(chǎn)生氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，易爆裂，漏液。同一個(gè)電池箱，不同位置的散熱條件不均勻，引起電池組間充放電不平衡，經(jīng)過多次充放電之后，電池間的差異性將越來越大，最終導(dǎo)致電池容量下降，降低電池使用壽命。

電池箱散熱方式有 2種，主動(dòng)式和被動(dòng)式。主動(dòng)式散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，需要較大的附加功率，對(duì)車輛的巡航里程有所影響，但它的熱管理更加有效。被動(dòng)系統(tǒng)所采用的措施比較簡單，沒有使用冷卻單元，直接依靠空氣帶走電池箱的熱量，達(dá)到電池散熱的效果，此方法成本較低，但散熱能力有限。

基于項(xiàng)目組新開發(fā)車型的要求，需要計(jì)算電池箱的散熱性能，是否滿足整車的散熱要求，若設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理，提出修改建議；確定電池箱的散熱方式滿足散熱要求[1]。

1 模型計(jì)算

本車采用圓柱磷酸鐵鋰電池，由于電池箱布置在車底部，空間位置有限，電池箱被分為A、B箱，一共2009節(jié)電池，如圖1、圖2所示。原設(shè)計(jì)方案在電池箱中A箱、B箱的進(jìn)口和出口各放置風(fēng)扇，強(qiáng)制帶動(dòng)電池箱A箱、B箱內(nèi)空氣流動(dòng)，帶走電池散發(fā)的熱量，即采用主動(dòng)散熱方式散熱。

1.1 網(wǎng)格模型

本次仿真采用前處理軟件HyperMesh進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為8261366，采用國內(nèi)流行軟件STAR-CCM+進(jìn)行流體仿真分析，劃分六面體網(wǎng)格1500萬，如圖3所示。

電池的體積為7.3e-5m3，發(fā)熱量為0.3 W，導(dǎo)熱系數(shù)為 3 W/（mk）。由于電池是復(fù)合材料組成的，為簡化模型計(jì)算，假定電池為一圓柱實(shí)體，材料為電芯材料，密度為 2260 kg/m3，比熱為1276.1 J/kg·K。電池槽材料為工程塑料，一共41個(gè)，尺寸大小不等。電池箱長1.9 m，寬1.2 m，如圖4所示。

1.2 邊界條件

入口邊界條件：速度入口，5m/s；風(fēng)扇轉(zhuǎn)速：6000 r/min；環(huán)境溫度：25℃；出口邊界條件：壓力出口；計(jì)算時(shí)間為20 min，若電池溫度繼續(xù)升高，可延長計(jì)算時(shí)間。

2 結(jié)果分析

2.1 冷流場分析

從圖 5中，可以得到整個(gè)電池組內(nèi)每節(jié)電池表面的速度分布比較均勻。在電池的正負(fù)極區(qū)域有一定的風(fēng)速，可以帶走電池散發(fā)的部分熱量。從圖 6可以觀察出，整個(gè)電池箱內(nèi)風(fēng)的分布及大小，觀察是否有渦流存在，為電池散熱評(píng)估提供感觀認(rèn)知；并且模擬出了風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，可以測出進(jìn)出口風(fēng)速的大小[2]。

圖 7為整個(gè)電池箱內(nèi)電池的壓力分布，可以看出，壓力分布比較均勻，最大壓力差為6.227 Pa。原因主要是由于風(fēng)直接吹到電池上，速度梯度變化較大，此處易產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致空氣不流暢，壓力增大。可以通過在風(fēng)直吹電池處前端設(shè)置擋板，起到緩流作用，降低壓力差。

2.2 溫度場分析

計(jì)算溫度場，要考慮電池與環(huán)境的熱量交換，電池和電池箱內(nèi)要做interface，才能與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。由于電腦設(shè)備有限，用整個(gè)模型做散熱分析，耗時(shí)較長，為簡化計(jì)算，把整個(gè)電池箱分為A、B箱，單獨(dú)計(jì)算溫度場。用冷流場計(jì)算的速度場結(jié)果作為計(jì)算溫度場的入口條件，計(jì)算結(jié)果不失真[3]。

工作6 min時(shí)，從A箱溫度場分布可以看出，溫度相對(duì)均勻，溫度差為1℃。溫度較小地方為沖風(fēng)端，帶走熱量比較多；工作20 min時(shí)，A箱電池溫度分布相對(duì)均勻，溫度差為2.4℃；工作60 min后，電池包內(nèi)電池溫度差為5.6℃，如圖8所示。

由于Region32處于電池A箱內(nèi)部，經(jīng)過其附近的風(fēng)速較小，散熱條件有限，如圖 9所示。取Region32為測試目標(biāo)，工作60 min后的溫度變化曲線如圖10所示。此節(jié)電池溫度還處于上升階段。

如圖11所示，電池工作4.5 min時(shí)，B箱內(nèi)電池溫差小于1℃；電池工作20 min時(shí)，電池組的溫差小于1℃；電池工作66 min后，溫差2.1℃；電池工作 121 min時(shí)，電池組的溫度狀態(tài)。溫差4.6℃。B箱的工作狀態(tài)比較好。

取電池風(fēng)道入口Region4為目標(biāo)（如圖12所示），從監(jiān)控點(diǎn)溫度曲線圖可以看出，電池溫度還在增長中，如圖13所示。

從電池A箱和B箱的溫度分布圖中可以看出，電池箱內(nèi)溫度場分布比較均勻，電池溫度仍繼續(xù)上升。由于試驗(yàn)考慮40 min內(nèi)電池溫升情況，本次仿真，延長計(jì)算時(shí)間，預(yù)測電池溫度變化情況，為準(zhǔn)確地評(píng)估電池箱的散熱性能提高保障[4]。

3 結(jié) 論

從仿真結(jié)果得到以下結(jié)論。

1）只有建立整個(gè)電池箱的模型，才能真正地反映出電池箱內(nèi)部風(fēng)速及壓力分布，觀察出電池箱內(nèi)是否存在渦流，為電池箱設(shè)計(jì)人員提供修改意見；

2）用冷流場計(jì)算的速度場結(jié)果，提供計(jì)算溫度場的入口條件，簡化溫度場的計(jì)算模型，提高計(jì)算效率，結(jié)果不失真；

3）延長仿真計(jì)算時(shí)間，觀察電池溫度隨時(shí)間的變化情況，更好、更準(zhǔn)確的評(píng)估電池箱的散熱性能；

4）采用仿真手段，避免了試驗(yàn)的盲點(diǎn)，可以觀察整個(gè)電池箱內(nèi)所有電池，任一位置的速度分布、壓力分布和溫度分布。

[1]Wu M S，Wang Y Y，Wan C C. Thermal Behavior of Nickel/metal Hydride Batteries During Charge and Discharge[J].J. Power Sources，1998，74；202-210.

[2]Gu W B，Wang C Y. Thermal-Electrochemical Modeling of Battery System[J]. J. The Electrochemical Soc. 2000，147（8）：2910-2922.

[3]Johnson V. Batteries Models in ADVISOR[R]. 2002：321-329.

[4]王福軍，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.