電池組散熱模型仿真分析及散熱結構優化①

廖中文，王海林

(1.廣東農工商職業技術學院科研與產業服務處，廣東 廣州 510507；2.華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642)

1 引言

在碳達峰、碳中和目標的實現過程中，新能源汽車產業被寄予厚望，已上升至國家發展戰略的高度，成為了不可逆的發展方向。鋰離子動力電池是純電動汽車的核心部件之一，因其比能量大、無記憶效應、無污染、低維護性及高循環壽命等優點受到純電動汽車行業的青睞，成為首選的動力來源[1-3]。

動力電池在充放電過程中，由于熱效應的影響會帶來溫度上升、溫度不均，甚至溫度失控的情況，嚴重影響電動汽車的行駛安全。同時，動力電池在工作過程中，對溫度較為敏感，鋰離子電池在高低溫的極端環境中容易發生熱失控[4]?？绽涫亲顐鹘y的冷卻方式，廣泛應用于電動汽車(battery thermal management system，BTMS)領域，比如豐田普銳斯、比亞迪E6等車型[5]。風冷具有成本低、結構簡單、維護方便和質量可靠等優勢,同時，風冷作為技術基礎，可以配合其他冷卻技術進行耦合散熱或根據服役工況特點實現多級散熱。電池冷卻效果與電池的排列方式、空冷流道形狀和風口布置緊密相關。

本文通過構建70粒18650磷酸鐵鋰電池三維熱模型并進行溫度場模擬，對比分析在自然冷卻狀態、強制通風狀態及交替進風散熱三種狀態下，對應電池組的最高溫度、最大溫差等關鍵數字，通過優化交替進風散熱結構，在風速2.5 m/s時，4次交替進風的溫差比強制風冷散熱的溫差降低了2.4 ℃。

2 電池計算熱模型構建

考慮電池構造的復雜性，熱量傳遞規律不明顯，為簡化單體電池建模且不失真實性，本文做幾點假設。首先，傳熱方式方面，主要是電池內部熱傳導和外部流體與電池表面的熱對流；其次，構成電池的材料均勻性一致，通過的電流相同，溫度梯度分布均勻，同向導熱系數相等；再次，熱物性參數如電池的密度、比熱容以及導熱系數都看作定值，不受外界因素影響。

2.1 電池內部熱量傳遞方程

18650磷酸鐵鋰電池內部任意微元體的熱量傳遞過程可以用傅里葉定律的三維非穩態熱擴散方程表示，如式(1)所示。

(1)

式中，ρ表示電池密度，kg/m3；c表示電池比熱容指標，J/(kg·K)；q代表電池單位體積產生的熱量，W/m3；r是電池的半徑，m；λr是電池徑向導熱系數；λz是電池軸向導熱系數，表示傳熱的快慢，W/(m·K)；T為溫度，K，y為時間，s。熱物性參數在仿真時為常數，為保證精準均取平均值。

2.2 電池外部熱量傳遞方程

電池表面與外部流體之間的換熱公式可用牛頓冷卻定律計算，如式(2)(3)所示。

(2)

(3)

式中，h是對流換熱系數，W/(m2·K)；T-T∞為物體與周圍介質之間的溫差，T是電池表面溫度，T∞是冷卻介質的溫度，K。

2.3 計算流體力學基本控制方程

考慮到動力電池在充放電過程中，鋰離子定向流動，在此，借鑒計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)，流體運動和傳熱滿足三大基本守恒定律，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律(Han et al.,2015)。體現在以下控制方程中。

(1)質量守恒定律。在經典力學的框架下，在一個封閉體系中，任何一種物理或化學反應，其反應前后的質量是不變的。在流體力學中，流場單位時間內流入與流出的質量相同。方程表述為：

(4)

式中，ux，uy，uz分別表示流體在三維坐標系中x，y，z三個方向上運動的速度分量；ρ為流體密度，t為時間。一般密度ρ為常數，則方程又可以表示為：

(5)

(2)動量守恒定律。取流體中的一個微元，其受到的所有外力之和等同于總動量對時間求得的變化率，即系統總動量守恒。且牛頓第二定律適用于動量控制方程。三維方向上的控制方程為：

(6)

(7)

(8)

式中，ρ為流體密度；P為壓力；fx、fy、fz為流體單元質量力在三維方向上的分量；τxx、τyx、τzx為動力粘度的分量。

(3)能量守恒定律。能量守恒定律的本質是熱力學第一定律。流體系統熱量的變化與外力做的功等同于流體系統的總能量變化。控制方程如下：

(9)

式中，q為生熱速率；c為比熱容；λ為導熱系數；T為溫度，t為時間；Qt為由流體內部摩擦把動能轉化為部分熱能的熱源項；ux，uy，uz分別表示流體在三維坐標系中x，y，z三個方向上運動的速度分量。

3 電池組三維熱模型構建

采用有限元軟件ANSYS自帶Workbench-SpaceClaim進行建模。電池組箱體尺寸長×寬×高=270 mm×180 mm×95 mm，電池模組由70節單體電池組建而成，處在箱體中心位置，在保持真實的情況下，電池材料質地做均一化處理，省去帽頭、底蓋和泄壓孔等，將電池視為一個均勻發熱圓柱體，電池單體間隙為2 mm，如圖1(a)所示。網格模型在Workbench-Mesh模塊生成，采用四面體網格劃分，劃分后檢查網格質量，不能出現負體積網格，網格正交性高于0.2，保證計算精度，網格模型如圖1(b)所示。整個模型共劃分了1 729 702個單元，541 579個節點。

圖1 電池組模型(a)幾何模型；(b)網格模型Fig.1 Battery model.(a) Geometric model；(b) Mesh model.

4 電池組風冷散熱結構優化設計

某國產電動汽車電池組放電測試時，在自然冷卻條件下，放電完成最高溫度47.8 ℃，最低溫度36.6 ℃，溫差11.2 ℃，電池組中心區域溫度最高；在強制風冷條件下，風速為2.5 m/s時，最高溫度45.5 ℃，最低溫度27.3 ℃，溫差為18.2 ℃；風速為10 m/s時，最高溫度38.1 ℃，最低溫度26.1 ℃，溫差12 ℃，溫差仍較大，如圖2—3所示。

圖2 風速為2.5 m/s時電池組溫度云Fig.2 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 2.5 m/s.

圖3 風速為10 m/s時電池組溫度云Fig.3 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 10 m/s.

基于此，為提高溫度均勻性，在強制風冷散熱結構的基礎上設計一種電池組交替進風散熱結構。在電池箱體進風口位置處加裝一個左右互通的管道，如圖4所示。除進風口外，一共有四個開關控制冷卻空氣的流向，開關1、4是一組，2、3是一組。當1、4打開且2、3關閉時，冷卻空氣通過管道由左邊流向右邊；當1、4關閉且2、3打開時，冷卻空氣通過管道由右邊流向左邊，交替開啟與關閉直到放電完全結束。本文定義冷卻空氣通過管道由左邊開關1流向右邊出風口4的時間為一次交替，即指開啟與關閉同一組開關的間隔時間。由于電池組完全放電需要3 600 s，現設置交替次數分別為1次、2次、3次、4次，對應交替時間分別為3 600 s、1 800 s、1 200 s、900 s。網格劃分如圖5所示，建模方法同強制風冷散熱，風速設置為2.5 m/s。

圖4 交替進風散熱結構示意Fig.4 Structure diagram of alternate air intake heat dissipation.

圖5 網格劃分示意Fig.5 Structure diagram of mesh generation.

圖6是電池完全放電后4種交替的電池組溫度云圖以及整個結構y=47.5 mm處的橫截面溫度云圖。根據云圖可以看出電池組1次和3次交替溫度整體趨勢變化一致，2次和4次交替溫度整體趨勢變化一致，基本上隨著冷卻空氣的經過溫度越來越高，電池組離進風口越遠溫度越高，中心偏下游的電池組溫度最高。1次交替最高溫度為45 ℃，最低溫度27.6 ℃，溫差17.4 ℃。2次交替最高溫度為44.7 ℃，最低溫度27.8 ℃，溫差16.9 ℃。3次交替最高溫度為44.5 ℃，最低溫度28.1 ℃，溫差16.4 ℃。4次交替最高溫度為44.2 ℃，最低溫度28.4 ℃，溫差15.8 ℃?？梢缘贸霎?次交替，交替時間每次900 s時最高溫度最低，溫差最小。電池組最高溫度在不同的交替次數上雖然有一定降低但變化不是特別明顯。冷卻空氣與電池換熱，空氣升溫，由于交替進風策略改變了進風流向，導致電池組低溫區域受到被加熱空氣的影響，低溫區域溫度稍有上升，降低了整體的溫差。

在風速2.5 m/s條件下，通過對比交替進風散熱結構與強制散熱結構的散熱效果，不難發現，強制風冷散熱結構最高溫度為45.5 ℃，最低溫度為27.3 ℃，溫差為18.2 ℃，4次交替進風的溫差比強制風冷散熱的溫差小了2.4 ℃，效果明顯。交替進風冷卻改善了電池組風冷散熱的均勻性，在降低電池組溫度積聚方面起到一定的作用。

5 結論

動力電池的熱管理問題是制約新能源汽車產業發展的關鍵技術環節之一，本文通過優化散熱結構，設計了一種電池組交替進風散熱結構控制冷卻空氣的流向，在完全放電時間下控制交替時間的長短與次數。最終4次交替進風的溫差比強制風冷散熱的溫差小了2.4 ℃，各種進風條件下的散熱效果數據對比如表1所示。交替進風冷卻改善了電池組風冷散熱的均勻性，能有效控制溫差，在降低電池組溫度積聚區域起到一定的作用，達到了更好的散熱效果。

表1 各種進風條件下的散熱效果數據對比Table 1 Comparison of heat dissipation effect data under various air inlet conditions.