基于CFD熱分析的動力電池包基礎模組優化設計

摘要：以某型電動汽車在綜合工況條件下續航里程需求為目標，基于18650單體鋰離子電池設計一組34串36并的動力電池包。為實現對整體動力電池包熱管理優化，對其中一個基礎并聯模組進行熱管理分析，散熱方式采用強制風冷并行通風；對18650單體電池進行內阻和發熱實驗，驗證基礎熱源數據的精確性。以Z型電池模組強制散熱系統為基礎，對基礎電池模組構型進行熱仿真分析。依次改變匯流腔傾角和分流板高度，發現當匯流腔腔角為7°、分流板高度為9mm時散熱效果最佳，此時并聯模組的最高溫度及最大溫差可滿足設計要求。這為動力電池包整體熱管理系統完成了其基礎模組的優化設計。

關鍵詞：CFD仿真；熱管理系統；鋰離子電池模組；強制風冷

中圖分類號：TG156；TP391.9文獻標志碼：B文章編號：1671-5276（2024）06-0168-06

Abstract：Designs a 34-string 36-parallel power pack based on 18650 single-cell lithium-ion batteries with a certain type of electric vehicle under certain comprehensive working conditions as the target range requirement. In order to optimize the overall power pack thermal management， one of the basic parallel modules is analyzed for thermal management， and forced air cooling parallel ventilation is used for heat dissipation. Internal resistance and heat generation experiments are conducted on the 18650 single cell battery to verify the accuracy of the basic heat source data. Based on the forced heat dissipation system of Z-type battery pack， the thermal simulation analysis of the basic battery pack configuration is conducted. It is found that the inclination angle of the sink cavity and the height of the manifold are changed in turn， and that the best heat dissipation effect is achieved when the angle of the sink cavity is 7° and the height of the manifold is 9 mm， at which time the maximum temperature and the maximum temperature difference of the parallel module can meet the design requirements， thus completing the optimized design of the basic module for an overall thermal management system for the power pack.

Keywords：CFD simulation；thermal management system；lithium-ion battery pack；forced air cooling

0引言

中國新能源汽車產業在政策和市場的雙重推動下，呈現迅猛發展之勢［1］。動力電池是新能源汽車中關鍵的部件之一，其制造成本約占整車成本的40%，重要性不言而喻。然而電動汽車因不合理的電池包散熱設計而時有著火現象發生。因此，改善動力電池包的熱管理系統使其在適宜溫度范圍內運行、減少車輛自燃等風險是確保電動汽車在穩定的續航里程基礎上安全運行的重要保障［2］。

風冷式熱管理系統具有結構簡單、成本低、易于維護等特點，廣泛應用于電池包熱管理系統中［3］。這種系統是使用空氣作為冷卻介質。該系統分為自然對流和強制對流兩種方式。自然對流通過利用溫度差引起空氣流動來帶走電池產生的熱量，但散熱速度較慢；強制對流可以加快空氣流動速度，提高散熱效果，通常通過車速導風或使用風扇實現。

MUSTAFA［4］使用3個電池組評估了電池組之間距離和入口尺寸對電池組溫度、通道內壓降和傳熱系數的影響。該研究表明，電池組之間的距離和入口尺寸對電池溫度、通道內壓降和傳熱系數等參數有顯著影響。增加電池之間的距離可導致通道內壓降增加，而增加入口尺寸則有助于降低溫度。IBRAHIM等［5］研究了4種不同的空氣速度下，45個圓柱形鋰離子電池單元排列成菱形，電池組中的壓降隨著空氣速度的增加而增加，當出入口直徑增加時，電池組最高溫度和平均溫度都增加，出口空氣溫度隨著空氣速度的增加而減少。ZHANG等［6］分析二次出口尺寸參數和擋板對于電池熱管理系統冷卻性能的影響，發現二次出風口數量為6時散熱效果最佳，增加擋板可以進一步改善風量分布，提高冷卻性能。與初始型電池熱管理系統相比，最優模型的最高溫度降低了4.95%，最大溫差降低了91.89%。ZHANG等［7］在Z型和U型流動的風冷電池熱管理系統的基礎上，通過改變出口位置設計了幾種不同流型的熱管理系統，并使用數值模擬評估了它們的性能。研究結果表明，空氣冷卻熱管理系統的流型對其冷卻性能有顯著影響。當出口位于電池模塊的頂部并且出口的中心平面更靠近入口時，熱管理系統具有更好的冷卻性能。在該系統中，當入口風速達到5m/s時，與Z型熱管理系統流動模式相比，平均溫度和最高溫度降低了約3℃，同時大大提高了電池組的溫度均勻性；與U型流型相比，平均溫度和最高溫度分別降低了約0.8℃和2.4℃。此外，隨著入口風速的增加，熱管理系統的流型對其冷卻性能也會受到影響。

本文為滿足某型電動汽車續航里程要求，設計了一個34串36并的電池包。設計過程分為兩步：先實現一個由36個單體鋰離子電池并聯的基礎模組熱管理優化設計，再集成基礎模組設計形成整體動力電池包。限于篇幅，本文主要討論基礎模組的熱管理仿真優化設計。

整個系統運用強制風冷并行通風方式，進行了單體鋰離子電池的電阻實驗和溫升實驗，以保證鋰離子電池熱仿真基礎數據的精確性。對基礎模組的初步設計進行熱仿真分析，發現它不能滿足設計要求。為此改變基礎模組箱匯流腔傾角度數和添加分流板進行仿真，對比最高溫度和最大溫差，獲得可行的基礎模組箱方案，完成電池包的基礎模組的熱優化設計。

1電池包設計方案確定

1.1電池包參數的確定

本文針對某綜合工況條件下續航里程達到 250km的純電動汽車的動力電池包進行設計，該電池包參數要求如表1所示，所選鋰離子電池單體參數如表2所示。

選用的18650鋰離子電池標稱電壓3.7V，為滿足動力電池120V標稱電壓的要求可通過串聯電池單體實現，用串聯單體數量a保證動力電池包總能量7.54kWh的要求，可以用電池單體并聯數量b保證，計算公式如下：

式中：U為動力電池標稱電壓；U0為電池單體標稱電壓；W為電機額定功率；η為電池有效容量系數，取0.8；cz為系統總容量；c0為電池標稱容量。

按需求選取電池單體串聯數量為34，并聯數量為36，選擇先并聯后串聯的成組模式。這種組合方式BMS監控簡單，成本低［8］。

1.2電池包冷卻方式選擇

考慮到風冷式熱管理系統冷卻系統結構簡單、成本較低、易于維護等優點，而強制風冷散熱效果優于自然對流冷卻，故采用強制風冷散熱方式，按照風道排列方法。強制風冷又被分成串行通風和并行通風，如圖1所示。

串行通風空間利用率高，但是散熱不佳，并行通風的氣流同時經過電池間的并行氣道，使空氣能較均勻的帶走熱量，使電池模組溫度分布均勻。為了保證電池模組能有良好的散熱，本文采用強制風冷并行通風散熱系統。

1.3電池包總體方案設計

由上文可知，本文需要集成的單體電池數量為1 224個，電池的基礎模組數量為34個，并聯了36個18650單體電池為一個基礎模組，在整體動力電池箱里再串聯排列34個并聯的基礎模組?；A模組都有自己的安裝箱盒，因此需要先對基礎模組進行熱管理優化設計，以建立整體動力電池包熱管理分析的基礎。整個設計思路是：先選取基礎模組進行建模與熱仿真優化設計，使它的熱管理系統滿足設計要求，然后集成基礎模組組成完整的動力電池包，完成整體動力電池包的散熱設計。

針對基礎模組，設計一種36并聯電池模組箱，電池之間的間距為2mm，模組箱模型如圖2所示。

對整體動力電池包，將基礎模組箱錯位相排，錯位相排的基礎模組與相鄰的基礎模組之間各風口之間距離約66mm，如圖3所示。考慮到送風成本，將電池包進、出風口設置在同一平面內，而且可以保證電池包風冷系統的密閉性，可以將后排基礎模組進出風口尺寸加66mm，使所有進出風口都在同一平面，最終電池模組排列如圖4所示。對整體動力電池包進行初步設計，電池包厚為2mm，模型如圖5所示。電池包尺寸為：長1 990mm，寬234mm，高224mm。

本文主要對一組并聯模組組成的電池基礎模組進行熱管理系統設計，主要任務是使電池溫度保持在10℃～40℃的適宜工作范圍，特別是要控制或者防止局部過熱，使最大溫差低于5℃。本文使用強制風冷散熱、并行通風散熱方法，以Z型風冷散熱模組為基礎進行設計。

2電池單體的仿真分析與實驗驗證

2.1電池內阻特性實驗

實驗主要研究單體鋰離子電池內阻與電池荷電狀態的關系，18650單體鋰離子電池參數如表2所示。電池分別以2A、3A、4A和5A的電流進行恒流放電，之后進行脈沖放電，測量獲取所需數據，整理得內阻特性，如圖6所示。

由圖6可知：1）實驗所得單體鋰離子電池內阻隨放電電流的增大而變大；2）單體鋰離子電池的荷電狀態數值處在0.3～1.0之間時，其內阻值發生的變化不是很大，但是在單體鋰離子電池荷電狀態值處在0～0.3之間時，電池放電內阻變化劇烈，向上變大的趨勢非常明顯，在電池進行5A恒流放電、電池的荷電狀態值約為0.1時，電池的放電總內阻幾乎都已經超過90mΩ。

2.2鋰離子單體參數獲取

本文使用的鋰離子電池熱物性參數如表3所示。

在計算電池工作時的生熱速率時， 選取了BEMARDI等所研究的模型，計算得電池的產熱速率如表4所示。

2.3電池單體熱仿真與溫升實驗

測量18650電池實物模型，使用UG進行三維建模，使用mesh進行網格劃分，導入fluent，設置溫度為25℃，換熱系數為5W·m－2·K－1，電池單體為熱源，進行仿真，得到電池單體在不同放電倍率下放電結束后電池的溫度情況。單體鋰離子電池CFD仿真結果如圖7所示。

實驗在高低溫度箱中進行，設置溫度與仿真溫度相同，電池單體分別以1.0C、1.5C、2.0C、2.5C進行放電，進行數據采集。

根據實驗結果，記錄4種放電倍率下電池單體的溫度數據，將4種實驗數據與仿真數據擬合，數據擬合如圖8所示。

從圖8中可以看出，電池溫升隨著放電倍率的增大而加快，電池放電倍率為2.5C時溫升最快，最終超過70℃。仿真曲線和實測曲線較接近，說明產熱數據可靠性較高，模型精度滿足工程要求，這對利用電池模型進行熱力學仿真提供了扎實的基礎。

3電池模組熱仿真及優化設計

3.1電池模組熱仿真分析

對前述電池模組箱進行CFD熱仿真。對模型進行網格劃分，導入fluent中設置電池參數（表3），設置電池單體為熱源，放電倍率為1.0C，進風口速度為5m/s，進風溫度為25℃，出風口壓力為0Pa，回流溫度為25℃，電池模組與空氣組成流固耦合邊界，進行計算仿真，最后導入CFD-POST中進行后處理，仿真結果的電池模組溫度場云圖和y-z平面速度場云圖如圖9所示。觀察可知，最高溫度為32.38℃，最大溫差為5.64℃，不能滿足熱管理系統的要求，因此需要進行優化設計

3.2改變匯流腔室傾度

對基礎模組箱內部結構進行改進，在保持出風口不變，改變匯流腔角度，使其與水平方向形成一個夾角α，如圖10所示?？紤]到電池模組箱不能與電池模組接觸，α最大不能超過7.3°。因此，設計7個度數進行實驗，分別是1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°，包括原始模型在內的8種電池組模型放電，結束時的最高溫度Tmax和最大溫差ΔTmax的仿真結果，如圖11所示。當匯流腔傾角為7°時的溫度場和速度場云圖如圖12所示。

當傾角增大時，出風口的風速逐漸增大，主要原因是電池基礎模組箱整體結構和仿真時的邊界條件不變，但是由于傾角變大，使得基礎模組箱內部體積減小，且空氣進入的速度不變，導致出口速度加快，從而加快了電池組的散熱。因此，當傾角變大時，電池最大溫度減低，最低溫度幾乎不變，保持在26.6℃，而最大溫度由32.38℃降低到31.41℃。因此，選擇匯流腔傾角為7°時的基礎模組箱進行優化設計。

3.3添加分流板并改變其高度

觀察上述電池組溫度場云圖，發現溫度集中在兩個電池上，這兩個電池對稱分布在電池模組的中間部分，可見此區域的散熱較差。于是，在電池模組箱模型添加分流板，使氣流在流動過程中能經過此區域，分流板布置在最高溫度兩個電池后方，距離進風口114mm，分流板頂部距離電池底部1mm。設分流板底部距離基礎模組箱底部為H，分流板位置如圖13分流板位置簡易圖所示。設H分別為0mm、3mm、6mm、9mm、12mm、15mm和18mm，進行仿真。

對不同匯流板高度的基礎組模型仿真結果進行對比分析，包括原始模型在內的8種電池組模型放電結束時的Tmax和ΔTmax，如圖14所示。分流板為0mm、9mm和18mm的溫度場云圖和y-z平面速度場云圖如圖15所示。

由圖14可知，當分流板高度為0mm時，最大溫度和最大溫差都是最大；當分流板高度為3～9mm時最大溫度和最大溫差逐漸降低；當分流板高度為9～18mm時，最大溫度和最高溫差逐漸變大；當為18mm時，最大溫度與最大溫差與無分流板時幾乎一樣。

觀察圖15可知，此時分流板底部與基礎模組箱底部接觸，空氣從進風口快速進入，到達分流板后，直接從分流板前方向上流動，大部分空氣經過分流板前方電池模組，到達匯流腔，最后從出風口離開基礎模組箱，只有很少部分空氣會到分流板后方的電池模組。這導致后方的電池模組散熱不良，分流板前的電池模組溫度遠低于分流板后的電池模組。這一現象表明在此位置加分流板可以使分流板前方電池散熱效果更好，即使上一節高溫區域散熱更好；當分流板高度逐漸增加時，位于分流板后方的電池溫度逐漸變低，此時進風口的空氣進入時氣流會有兩個主通道離開分流腔，一部分到達分流板之后沿分流板向上經過電池模組，到達匯流腔后，從出風口離開箱體，達到散熱的目的；另一部分沒有被分流板阻擋，氣流能夠到達分流板后方，之后流到基礎模組箱后端，沿箱體壁面和電池模組向匯流腔流動，最后從出風口離開基礎模組，達到散熱的目的。當分流板高度為9mm時，電池模組的最高溫度為30.37℃，最大溫差為3.56℃，與上一節最佳方案相比，最大溫度下降了3.3％，最大溫差下降了24.7％?？梢娡ㄟ^分流板改變空氣流動而改善基礎模組散熱效果是有效的。當分流板高度逐漸增加到12mm時，基礎模組的最高溫度和最大溫差相比較9mm高分流板的時候逐漸變大。觀察云圖可知，當分流板高度達到12mm時，匯流腔內被分流板分流的空氣比9mm時少，使得分流板前方電池模組散熱效果下降；當分流板高度為15mm和18mm時，分流腔中已經沒有分流板了，所以散熱效果逐漸接近無分流板狀態。由此可見，當分流板高度為9mm時散熱效果最佳，達到設計要求。

在第一節中，有一部分基礎模組箱需要加長進出風口，使用優化后的模型進行加長，其仿真結果如圖16所示，最高溫度30.55℃，最大溫度差3.82℃，滿足設計要求。

綜上所述，基礎模組的熱性能滿足要求，這為整個動力電池包的熱管理設計打下了必要的基礎。

4結語

1）選取某型電動汽車為研究對象，為滿足其續航要求，基于18650單體鋰離子電池設計了34串36并的電池包，使用強制風冷并行通風的散熱方式。

2）對單體鋰離子電池進行內阻實驗。結果表明：當放電電流增大時，電池單體內阻增大；對單體鋰離子進行仿真模擬溫升與溫升實驗對比發現，電池放電倍率越大，溫升越快，實驗結果和仿真結果接近，模型精度滿足工程要求。

3）對基礎模組進行匯流腔傾角優化，發現匯流腔傾角為7°時，模型散熱效果最好；添加分流板并改變其高度，當分流板高度為9mm時散熱效果最好，滿足設計要求，即電池包熱管理系統滿足要求。

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收稿日期：20230504

第一作者簡介：馬之輝（1999—），男，江蘇鹽城人，本科，研究方向為新能源汽車，mazhihuimy@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.034