電池艙結構的散熱分析

朱張旺

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著環境污染和能源緊缺問題的日益嚴重，新能源汽車越來越受到重視。純電動客車作為新能源汽車家族中的一員，目前已成為研究熱點。動力電池是電動汽車的核心部件之一，其中鋰離子電池因其電壓高、循環好、無記憶效應、比能量高以及無污染等特點，常被作為動力電池，但在其充放電過程中因受極化熱、反應熱和焦耳熱等影響會產生較多熱量，從而促使電池的溫度上升[1]。而動力電池對工作溫度有一定要求，若超過工作溫度范圍，則其就不能正常工作。

純電動客車在行駛時，動力電池處于大電流放電狀態，尤其在加速和上坡過程中，電流可達幾百安培，產生大量的熱量[2]；并且為滿足防護要求，動力電池箱體防護等級為IP67。目前電池箱體冷卻方式為自然風冷，主要靠車輛運行時車內空氣流動進行散熱。磷酸鐵鋰電池工作溫度為-20℃～60℃，而我國夏季大部分地區溫度最高可達40℃，因此合理的電池艙結構和電池布置，是保證純電動客車正常運行的必要條件。

本文以某型號純電動客車為例，選用磷酸鐵鋰動力電池，安裝布置在車尾后艙位置，共8箱電池，每箱電池108個電池單體，額定容量273.6 kC。為保證客車安全運行，設定電池溫度為60℃，車輛強行停止運行，電機停止轉動。為方便電池散熱，該電池箱體內部電池單體采用單層布置，電池箱體內部布置如圖1所示。

圖1 電池箱體內部布置

1 電池產熱量計算

熱力學第二定律指出：凡是有溫差存在的地方，就有熱能自發地從高溫物體向低溫物體傳遞。電池箱體的冷卻散熱，就是利用冷卻介質同電池間的溫差，將電池工作時產生的熱量帶走，防止電池溫度過高帶來的種種不利影響。

電池產熱量的計算應用 Bernardi[3]等人提出的理論計算公式。該模型假設電池內部各處的產熱相同，表達式為：

(1)

式中：Φ為電池的發熱功率(W);I為電池的電流強度(A)；E0為電池的開路電壓(V)；E為電池的端電壓(V)；T為電池的溫度(℃)；dE0/dT為溫度影響系數，對特定的電池一般為常量，這里取0.5 mV/℃[4]。

E0-E可以表示為IR,R為單體電池內阻[5]，在電池不過充過放的條件下，可定為常數，這里的值為0.8 m， 因此式(1)又可以寫為：

(2)

2 電池艙仿真模型

電池艙內電池布置為4層，每層2箱電池，如圖2所示。電池箱的下方為電動機，電動機位于客車底部，與外界環境直接接觸，對電池散熱影響較小，故在此文的仿真中不予考慮。電池箱的支撐梁為方鋼，所占空間較少，對電池的散熱影響較小。為了提高仿真效率，仿真模型對其不考慮，并對門縫等細節進行簡化。為保證電池散熱，電池艙2側艙門、左側下方艙門和后艙門均設計了格柵，底部與外界相通，右側下方為無格柵的充電口艙門。車輛行進時，氣流通過側面格柵進入，從車輛后艙門格柵與車輛下方流出，同時蒙皮為鐵質，也參與電池艙的換熱。圖3為電池艙橫截面示意圖，圖4為簡化后的電池艙仿真模型。

圖2 客車三維模型示意圖

圖3 電池艙橫截面示意圖

在圖4的電池艙仿真模型中，左、右電池艙門和左側下艙門格柵為氣體入口處，采用速度入口邊界條件，底部以及后艙門格柵處為氣體出口處，采用壓力出口邊界條件，蒙皮和電池組均采用壁面邊界條件，其具體數值的采用介紹如下。

圖4 電池艙仿真模型

由于客車在城市道路運行，一般運行速度為30～50 km/h，約為8～14 m/s，本文取氣流入口速度為10 m/s；出口處與外界環境相通，故出口邊界設定為環境壓力，外界環境溫度為40℃；蒙皮表面有氣流流過，設定對流換熱邊界條件；電池設定為體積熱源，需要設定產熱量，其值根據公式(2)，電流選取273.6 kC,可得出單體電池產熱量為3.1 W，每箱由108個單體組成，產熱量約335 W；蒙皮與外界環境接觸，故其初始溫度為40℃。

本文氣流入口速度采用10 m/s，經計算其馬赫數小于0.3，雷諾數為9 200>2 320，故氣體視為不可壓縮，氣流選為湍流模型。

3 CFD仿真分析[6]

根據第2節的分析，對電池艙的簡化模型設置相關的邊界條件，并進行CFD仿真分析，得到電池箱表面溫度分布圖，如圖5所示。

圖5 電池箱表面溫度分布

從電池箱的表面溫度云圖中可以看出，車輛運行時，電池箱的最高溫度約為45℃，最低溫度約40℃。

電池艙內的流場分布如圖6所示。

圖6 電池艙內的流場分布圖

從圖6可以看出，氣體經過格柵后流速增大，流動跡線也較多，因此在上方的左、右格柵處的電池箱表面溫度最低，而右下角處氣體流速相對較小且流動跡線較少，從而此處的對流換熱量較少，因此電池箱表面的最大溫度出現在右下角的電池箱。從圖6中可看出，從左下側格柵進入的氣體，基本直接從底部流出，沒有參與電池箱的換熱，但上方經換熱后的氣體流入到下方時，則被其快速帶出艙體，提高了換熱效率，并且從左下側格柵進入的氣體流經電動機，提高了電動機的散熱性能。

根據CFD分析結果可知，電池的溫度處于其正常工作范圍內，因此電池艙結構和布置滿足動力電池正常工作需求。

4 實驗數據分析

某地7月中的某日氣溫為32℃～42℃，對該型號純電動客車全天運行時的電池溫度數據進行采集，在每箱動力電池中的不同位置安裝6個溫度傳感器，測量電池箱體內部不同位置溫度。將電池在不同時刻測得的最小溫度和最大溫度繪制成曲線，如圖7所示。

圖7 電池極值溫度曲線

由圖7可見，在客車全天運行時間內，電池箱體內部溫度隨環境溫度變化；在下午運行時，電池的最低溫度為40℃，最高溫度為47℃，低于電池安全工作最高溫度60℃。

5 結束語

本文對某型號純電動客車的動力電池散熱進行了仿真分析，結果表明客車以10 m/s的速度運行在外界溫度為40℃的環境時，電池艙內和電池的最高溫度低于60℃，滿足電池放電時正常的溫度范圍-20℃～60℃。通過采集客車實際運行時的電池溫度數據，也表明了電池艙結構的散熱性能可滿足動力電池的正常工作要求，同時實驗在高溫時段測得的電池溫度與仿真結果相差不大，驗證了仿真模型的有效性和仿真結果的可參考性。所以該車的電池艙結構和布置完全滿足客車的正常運行需求。