電動汽車模塊化動力電池組的散熱分析

武雅麗，伍川輝，于蘭英

（西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心，四川 成都 610031）

1 引言

在油價上漲和溫室氣體排放導致全球氣候變化的背景下，新能源汽車因其具有環境污染小，噪聲低，能源利用率高，結構簡單，使用、維修方便等的優點，使其越來越受到人們的關注。作為新能源汽車的動力源，電池組在其行駛時為其提供動力，它直接決定了車的性能和可靠性，對安全性能和使用成本也起著關鍵的作用。

當汽車在不同工況行駛時，由于電池自身的放熱反應和內阻，電池的溫度會逐漸升高。當溫度超過某一界限時就會導致鋰離子電池發生不可逆轉的損傷，如電池性能和使用壽命的降低。

當熱量繼續積累達到一定程度，這時就會發生電池內部的化學產熱反應和材料成分的質變，最終使得鋰離子電池隔膜產生破裂，這導致了熱失控災難的出現[1]，嚴重威脅到使用者的生命和財產安全！因此，提高電池組的散熱性能刻不容緩。

目前給新能源汽車提供電能主要有三種方法，它們分別是交流充電、直流充電和電池組快速更換。這三種方式各有優點，其中，電池組快速更換在解決快速供電需求上有突出的優勢。這種方式可以縮短充電過程中消耗的時間，并能間接延長行駛里程。同時，它可以減少大規模大功率充電對電網的影響，便于集中管理和維護電池，實現集中儲能、梯次利用，它還降低了電網交互技術的成本，并優化了能源分配。結合這些優點，不難發現電池組快速更換技術將會擁有廣闊的發展前景。由于集成式電池組體積、重量巨大，更換不便，布置不靈活，無法實現對電池組的快速更換。因此，針對某型電動汽車動力電池采用一種新穎的適于換電的模塊化思路，設計并優化了電池組的散熱結構。

2 電池模塊結構初步方案

2.1 幾何模型

電池組是針對某型電動汽車來設計的，其主要參數：車身4440mm（長）×1833mm（寬）×1560mm（高），電池總容量52kW·h，總電壓346V。在構建電池組時，綜合考量電池的容量、電壓、體積、重量等參數，最終選定某款磷酸鐵鋰單體電池來完成電池組的設計。該單體電池尺寸為205mm（長）×148mm（寬）×27mm（高），標稱容量為76Ah，標稱電壓為3.2V，內阻0.6mΩ，持續放電電流：1C，放電電流：100A，重量：1.65kg，根據公式[2]：

式中：P—功率（kW）；W—電池組容量（kW·h）；U—單體電池兩端的直流電壓（V）；n—所需單體電池數量；t—續航時間（h）；q—單體電池容量（A·h）。

計算結果得出，共需要216個3.2V，76Ah的磷酸鐵鋰單體電池來構建電池組。經過對電池組重量、體積和散熱性能的初步比較，最終決定這些單體電池布置在三個電池箱內，分別構成三個電池模塊，每個模塊內部的單體電池布置方式相同，散熱結構也一樣。電池模塊散熱方式為風冷散熱[3]，汽車系統冷風通過分配閥均勻分配給三個模塊。

電池模塊三維結構，如圖1所示。單個電池模塊的長寬高分別為（1367×546×300）mm，重量約為120kg。箱體假設為絕熱，不受環境溫度的影響。假設箱體是絕熱的并且不受環境的影響。72塊單體電池在箱內的布局是8列9排，箱體側面有8個出風口，尺寸是（140×20）mm，如圖2所示。箱蓋上有8根內徑為Ф90mm且長度相同的風管，每根管均勻的開有9個小孔。孔徑Ф40mm，孔心正對箱內的每個單體電池的中心[4-5]，如圖3所示。入風口和出風口設在同一側。

圖1 電池模塊的三維結構Fig.1 Structure of the Battery Module

圖2 單體電池布局詳圖Fig.2 Layout of Single Battery

圖3 風管及風孔排布詳圖Fig.3 Layout of Pipes and Holes

2.2 電池生熱速率模型

事實上，在工程應用中，很難準確地獲得單位體積下電池生熱率的表達式，這將阻礙我們了解電池的內部溫度場分布情況。目前，有兩種主要方法可以獲得單位體積生熱率q的表達式：理論計算和實驗。

通過實驗方法來直接的、準確的獲得電池的生熱速率由于受條件限制比較難于實現。在估算電池生熱速率時，目前經常使用的是20世紀80年代提出的電池生熱速率模型[6]。生熱速率q的數學模型為：

式中：Vb—單體電池的體積；I—電池充放電的電流（A）；E0—單體電池的開路電壓；U1—單體電池兩端電壓；T—熱力學溫度（K）；dE0/dT—溫度影響系數（V/K）；T·dE0/dT是與化學反應相關的物理量，對于某些特定的電池通常被認為是恒定值，取11.16mV，電池內阻R0變化不大，可以作為常數，R0=0.6 mΩ，在確定了相關參數后，可以獲得單體電池的生熱速率計算公式：

經計算得1C放電倍率的情況下，q=5962.06W/m3。

根據前人所做的電池溫升實驗結果[7]，以及對電池組熱特性的研究[8]，可以得到磷酸鐵鋰電池理想的工作溫度范圍是（20～35）℃，最大溫差低于5℃。這里的主要研究目標是設計一種新穎的熱交換結構，安裝在每一個電池模塊中，通過風冷散熱，使得電池模塊在滿足使用要求的同時，保證模塊內的溫度范圍為（20～35）℃，溫差控制在5℃以內。

3 電池模塊的有限元仿真分析

3.1 初始條件

首先使用SolidWorks 來繪制電池模塊的幾何模型，然后用ANSYS Fluent來劃分網格并求解。在仿真求解時，設定一些假設條件[9]：（1）假設單體電池是穩定的熱源，進風口是均勻進風條件；（2）電池輻射散熱影響小，不考慮這一影響；（3）流體和固體之間沒有相對滑動，并且將兩者接觸處設定為發熱量為零的耦合邊界條件。此外，假設單體電池材料質地均勻，密度和比熱容保持不變[10]；電池的導熱系數在相同方向上相等，不受溫度的影響[11]。單體電池和空氣介質的物性參數，如表1所示。

表1 介質物性參數Tab.1 Physical Parameters of the Medium

仿真分析參數設定：進風口空氣溫度為26℃，入口條件為速度入口，初始風速10m/s，選擇κ-ε湍流模型進行求解；出口條件為壓力出口；計算域分為空氣流體域和電池固體域，空氣與電池表面進行流固耦合熱交換。電池以100A放電為參考工況，即以1C的放電倍率來衡量散熱效果。

3.2 溫度場仿真分析

溫度場仿真分析結果，如圖4所示。從圖中可以看出，模塊內單體電池的最高溫度達到32.6℃，最低溫度是26℃，符合磷酸鐵鋰電池理想工作溫度。但溫差6.6℃，未達到溫差低于5℃的要求，可見其溫度分布是不均的。進風口附近的電池具有良好的散熱效果，但風管末端處的電池溫度偏高。這是因為風從進風口進入，通過風管上開出的孔流入電池間隙，從風管首端到末端，孔的壓力和速度是依次下降的，越靠近風管末端，孔中吹出風的速度和壓力就越低，風量就越小，散熱效果就越不理想，因此需要進一步優化模塊的散熱結構。

圖4 初始方案溫度場分布云圖Fig.4 The Temperature Field Cloud Diagram of the Initial Scheme

4 電池模塊結構改進方案及散熱分析

4.1 結構改進方案

通過對初始模型的研究和分析可知，溫度達不到均勻性要求是由于電池模塊內部的空氣流動并不均勻、不同空間風量分配不合理。因此提出改進方案：風管上孔的直徑由9個孔全為Ф40mm，分別修改的數值，如表2所示。以找到最佳孔徑分布方案，進而達到空氣在電池模塊內的均勻分配，強化散熱效果的目的。

表2 風孔直徑更改方案Tab.2 Scheme of Hole Diameter

4.2 仿真分析

將模型按照表2中的三組數據修改，然后進行有限元分析，并比較模擬結果。可以看出與初始方案相比，雖然方案1中電池模塊的溫差降低了1.5℃，但仍高于5℃，靠近入風口的電池散熱性能高于遠離入風口的電池，如圖5所示。當孔徑以方案2和方案3的方式進行設置時，電池模塊的最大溫度和溫差可以滿足設計要求，從電池模塊溫度分布可以看出，如圖6、圖7所示。最大溫度為30.6℃，溫差為4.6℃，整體溫度分布更加均勻。

圖5 方案1溫度場分布云圖Fig.5 The Temperature Field Cloud Diagram of Scheme 1

圖6 方案2溫度場分布云圖Fig.6 The Temperature Field Cloud Diagram of Scheme 2

圖7 方案3溫度場分布云圖Fig.7 The Temperature Field Cloud Diagram of Scheme 3

除了孔徑大小的分布情況會對熱交換器散熱效果產生影響以外，電池箱的高度可能也是影響散熱效果的因素之一，為了探究該因素對散熱效果影響的大小，選擇散熱效果良好的方案2作為散熱器的結構參數，因為方案2中電池箱高度為300mm，所以選擇高度分別為290mm、310mm和320mm來進行仿真分析。仿真結果，如表3所示。

表3 電池箱高度更改方案Tab.3 Scheme of Battery Box Height

觀察表3可以發現電池箱高度的增減或多或少會對散熱效果有一些影響，電池模塊的散熱效果與電池箱的高度不是成正相關的，方案4雖然節省空間，但電池模塊溫差無法滿足設計要求，方案5和方案6的結果表明：一味地增大電池箱高度不僅不能提高散熱性能，反而會導致電池模塊體積過大，造成空間的浪費，當電池箱高度為300mm時即可滿足設計要求。

5 結論

（1）電動汽車的集成式電池組在快速更換電池組這一供能方式中不適用，模塊化后的單個電池箱尺寸為1367mm（長）×546mm（寬）×300mm（高）、重量120kg，可以靈活安置在車內，滿足快速更換電池組的技術要求

（2）在初步方案中，電池模塊內的最高溫度為32.6℃，溫差過高，溫度均勻性較差。改進方案中，通過改變孔徑尺寸，可以顯著改善散熱效果，將電池模塊的最高溫度控制在30.6℃，溫差控制在4.6 ℃，能夠滿足溫度均勻性要求。

（3）通過對電池箱高度的研究可知，該參數對電池模塊溫度的影響不是很大，過度增加高度或降低高度是無法解決電池散熱不均的情況的，過大的高度導致電池模塊體積的變大，造成車內空間的浪費。理想的高度為300mm。