基于CFD的電動汽車電池組熱管理系統設計與研究

痿喬澤民，郭 棟，范 維，衛 兵，杜已超

（1.山西省檢驗檢測中心，太原 030032；2.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

隨著全球經濟的快速發展，能源問題與環境問題逐漸變成制約經濟發展的主要問題，傳統燃油汽車的普遍化推動了人類社會經濟和現代文明的高速發展，同時也帶來了嚴峻的能源和環境問題，因此節能和環保成為汽車技術發展的主題之一。在過去的十幾年間，純電動汽車、混合動力汽車和燃料電池汽車及其相關的零部件技術得到了快速發展，世界汽車工業正在經歷從傳統燃油汽車向未來氫燃料電池汽車的過渡和發展。

就目前來說，我國政府重視清潔高效汽車技術的開發，因此針對電動汽車動力電池組散熱問題已經成為近年來研究的重要方向。由于鋰離子動力電池組具有充電快等諸多優點，已經成為蓄電池領域的主流，又因鋰離子動力電池的特異和復雜，因此專家和學者不斷地對其各項性能問題做出分析和研究，在其使用效率和壽命的延長等問題上都做了主要的研究。隨著我國工業和科學技術的不斷改革進步和發展，電池組的安全監測和管理已經成為了重要的關鍵技術。鋰離子動力電池現如今已被廣泛地應用于人們的日常生活和工程中的每一個領域，但是這些電池組自身存在的安全性問題以及其使用壽命方面的問題嚴重地制約了這些電池組自身的發展以及其商業化。基于上述所內容，本文就電池組散熱問題進行了深入地分析和研究。

1 設計原理與數學模型

1.1 基本控制方程

計算流體力學（CFD）伴隨計算機技術迅速崛起，從計算方法、網格技術、湍流模型、大渦模擬等方面應用廣泛，在計算量子流體質量動力學時經常使用，對于CFD的數學控制定律方程的基本性質，其實是對控制定律結果進行表征的數學控制公式，又可稱為控制數學表征公式。質量守恒的方程式就是從這個定律中被推導出來的，世界上的任何流動性的問題也必須得到滿足。該微分方程式可以用下列形式表示：

動量守恒的方程與質量守恒的方程相似，它的性質簡單地說明來就是牛頓第二定律。表述公式為：

1.2 控制方程的離散和數值解法

在計算流體力學中采取了一種數值計算的方法，就必然需要對這個過程進行一次離散。對于控制方程進行了離散化的處理，即劃分一個網格，當這個網格的節點已經達到了足夠精細時，我們可以認定該方程的求解為無窮，而且可能會逐漸趨近精確求解。

隨著對科研技術工作者的創新探索和課題研究進一步深入，其中基于離散式的研究方法也將更加多種多樣。所以這些計算方法在我國學術界就已經發展形成了差分法、有限元法、有限元和體積差分法這些比較離散和量化的計算方法。

當我們已經建立了與離散控制系統方程相關最適合的一個離散控制方程函數組時，所需要面臨的第一個重要任務是那便是對控制方程函數組的離散結構函數進行分析求解。

1.3 散熱特性分析

當一輛電動汽車工作時，電池內部會出現一種放電的現象，內部與空氣之間會發生一些化學反應，使得電池溫度上漲。若該電池組在通風狀態條件較差情況下，便可能會出現電池組燃燒乃至于爆炸等危險事故，而電池組的空氣散熱，主要是為了充分考慮到空氣在大流中所產生的問題，因此對電池組進行散熱和穩定性分析是非常有必要的。

本文主要針對鋰離子電池組內的溫度變化分布是否均勻合理作為研究目標，并針對鋰離子電池組的殼體結構和通風氣孔的布局等方式做出了相應的設計和建模。通過調整蓄電池組的內部通風口和孔速度位置，以及對比和改善蓄電池組的內部通風孔和速度設計使其中的散熱片和性能系統進行了優化，采用CFD系統軟件設計進行了系統結構設計和系統可靠性的仿真實驗分析。

2 電池組的結構設計及模型建立

2.1 電池組的模型參數和結構設計選型

純動力電動汽車中的鋰電池組模型中各參數可按表1中取得。

表1 原始數據

根據大量的相關參考文獻以及資料分析可知，在鎳基鋰離子復合電池組得基本結構和功能布局應用方式主要有兩種基本形式，一種就是采用不同行列式結構的電池組，另一種是互相穿插布局的電池組，通過Fluent前期仿真和模擬分析，在相同的條件下，行列式的布局更加容易散熱，因此選擇了行列式布局方案，如圖1所示。本次設計了18塊電池，分兩列進行布置。

圖1 本設計的電池組布局方案

2.2 帶有通風孔的電池組模型

在溫室通風口的各個位置上我們不僅可以清楚看到風具有多種不同的特殊情況，許多的科學文獻資料也都對這種特殊情況出現做出了深入的理論研究和實驗仿真，甚至一些科學專家和相關學者都認為是通過這些實踐進行探索的。一般來說帶有通風口的電池組模型三維建模的設計方法與普通電池組模型非常類似，本文可以選擇不同通風口的位置：頂部開口的位置，電池組前端的位置，電池組側邊的位置。通過三維建模可以得到帶有通風口的電池組流場模型圖。

圖2 通風口位于電池組上端

圖3 通風口位于電池組前端

圖4 通風口位于電池組側邊

本文建立了四套電池組和流場的三維模型，比較了帶有通風口的三組模型和未建立通風口的電池組模型，進而通過仿真分析其溫度及流速。

3 電池組的散熱特性分析

3.1 無通風口時電池組散熱分析

通過對無通風口的電池組進行仿真，如圖5所示為鋰電池組運行過程中，溫度變化及流速變化的仿真模擬圖。

圖5 電池組無通風口時溫度云圖

如圖5所示，為電池組內部溫度變化分布云圖，事實上是把鋰電池組外部的壁面涂層除去之后的溫度分布云圖，圖中顯示了鋰電池組在其內部的溫度變化分布，為了能夠滿足實際要求的外界工作溫度26℃，而在動力蓄電池組的整流場內部的溫度就看不到了，因此本文對其視圖進行一種切片式的高溫熱處理。如圖6所示的復合切片云圖其實就是一個比較橫向的關于復合材料切片云圖，因此可以直接的觀察流場內部的所有氣體和氣流溫度等的分布以及狀態等情況，但是這樣的切片云圖也還是有一定的時間限制和技術局限性，因此如圖7所示的復合材料切片的云圖，既有一個橫向的復合切片又可以包括一個縱向的復合切片，這樣可以表達的更加清楚。

圖6 橫向切片云圖

圖7 橫向及縱向切片云圖

由切片云圖可知，低溫區域很少，溫度基本維持在327.4K左右。說明沒有通風口時，整體溫度還是很高，因此需要對電池組外殼設計通風口。

圖8 電池組無通風口時流線圖

上圖顯示的是電池組無通風口時的流線圖，我們可以清晰的看到進口處的溫度比較低，而中間的溫度還是比較高的，但是靠近外壁面的流線的溫度更低。

3.2 不同位置通風口的散熱分析

按照對無通風口電池組仿真分析的操作步驟，對其余三種不同類型的帶有透氣孔道的電池組模型進行了散熱分析。

1）通風口在電池組上端位置

觀察如圖9～圖11所示的結果溫度分布圖，通風口在上端的電池組的最高溫度為338.6K，最低溫度就是入口溫度300K。左端部分的6～8塊電池降溫比較明顯，而右邊的電池溫度有所下降，但是還是處于稍高的溫度，溫度分布在309.6K至319.3K之間。

圖9 通風口位于上端的溫度云圖

圖10 通風口位于上端的切片云圖

圖11 通風口位于上端的流線圖

2）通風口位置在電池組前端位置

觀察溫度分布仿真結果，將測試數據結果作為溫度誤差分布示意圖12，通風口在上端的汽車蓄電池組最高工作溫度可以設定為339.3K，最低溫度也可能就是汽車進出口的最低溫度300K。

圖12 通風口位于前端的結果云圖

圖13、圖14所示左邊的部分8～10塊新型鋰離子燃料電池的平均降溫幅度相對來說比較明顯，而右邊的部分8塊鋰離子燃料電池的平均溫度雖然也并沒有所謂的升高，但是仍然依舊處于一個稍高的平均溫度。通過對用戶觀察一個小型切片中的云圖我們幾乎可以清楚準確地分析得知，這種采用模擬高壓降溫供電方式的小型電池組仍然可能會持續出現一定不同程度的熱量減少，因為一般只有10～12塊左右的小型模擬降溫電池組在區間內熱流場小但溫度持續減少的現象還是很明顯的，大約溫度會持續集中在309.8K左右。

圖13 通風口位于前端的切片云圖

圖14 通風口位于前端的流線圖

3）通風口在側邊位置

觀察測試結果分析如下，圖15所示的本次測試觀察結果，根據工作溫度電壓變化量的分布曲線圖，通風口在上端的動力蓄電池組最高工作溫度可以設定為345.2K，最低的最高溫度也可能就是通風進出口的最高溫度300K。

圖15 通風口位于側邊的溫度云圖

圖16、圖17所示左邊的部分8塊式的鋰離子動力電池雖然正常降溫幅度相對來說比較明顯，而右邊的部分8塊鋰離子動力電池的正常溫度雖然也只是有所稍微升高，但是仍然依舊處于略微稍高一點的正常溫度。通過對一個切片中的云圖數據進行觀察，這種采用模擬電池降溫工作方式的容量電池組仍然可能會持續出現一定不同程度的容量減少，因為只有8～10塊左右的容量電池降溫區間處于流場，溫度持續減少的明顯程度仍然還是很明顯的，大約溫度會持續集中在311K左右。

圖16 通風口位于側邊的切片云圖

圖17 通風口位于側邊的流線圖

4 結語

本文通過基于CFD的原理，對電動汽車電池組熱管理系統進行了設計和散熱分析，可以得出一下結論：

通過對比兩種鋰離子動力電池的散熱溫度分布變化和熱量分布散熱狀態，對比圖5、圖9、圖12和以及圖15，能夠分析得到具備通風口的鋰電池組散熱分布狀態明顯地優于無通風口電池組，進而可以說明一個帶有任何透氣孔的智能電池組的整體散熱性能效果遠遠的要高于沒有任何透氣孔的電池組，散熱性能效果要好的多。

通過在電池組三種位置設置通風口，對三種電池組的流速及溫度場數據進行了對比分析，施加相同的散熱負荷和周圍沒有邊界的散熱條件下，其中位于前端電池組的散熱狀態最佳，溫度大致為309.8K左右，實驗的溫度云圖、流線圖和切片云圖能夠得出在每個通風口處的位置方向是否為正確，且動力電池組在進行通風時的內部散熱狀態狀況是否良好。

通過本文研究，可以為電動汽車鋰電池組中通風口方式的設計，以及其他相應散熱系統結構的優化提供了依據。