電動(dòng)汽車鋰電池組溫度場(chǎng)研究及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化*

劉振軍，林國(guó)發(fā)，秦大同，胡明輝，林歆悠

(重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

前言

目前，節(jié)能環(huán)保汽車的開發(fā)，已受到各國(guó)政府和各大汽車公司的高度重視［1］，其中電動(dòng)汽車已成為主要的發(fā)展方向之一。電池是電動(dòng)汽車的核心部件之一，而鋰離子電池因具有電壓高、比能量高、比功率大、循環(huán)性能好和自放電低等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的主導(dǎo)電源。但鋰離子電池在充放電過程中產(chǎn)生的大量熱量，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高和單體電池之間溫度不均勻，造成電池性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到電池的使用安全和壽命。因此，電池組的散熱和溫度控制是保證電池性能的關(guān)鍵。目前，車上電池組散熱一般采用風(fēng)機(jī)抽吸式冷卻結(jié)構(gòu)［2－3］。這類結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是抽風(fēng)機(jī)或吹風(fēng)機(jī)本身消耗電池電量，降低了電池的利用功率，縮短了汽車的續(xù)駛里程。如果利用自然風(fēng)冷方式，當(dāng)汽車行駛時(shí)，利用周圍空氣與汽車的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可對(duì)鋰電池組起到冷卻作用。本文中從不消耗電池電量的自然風(fēng)冷結(jié)構(gòu)入手，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)鋰離子電池組自然風(fēng)冷時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行建模和仿真分析，提出了使電池組的溫度場(chǎng)均勻的優(yōu)化方案。

1 鋰電池組溫度場(chǎng)仿真

1.1 電池組幾何模型

本文中的研究對(duì)象是國(guó)內(nèi)某汽車公司最新開發(fā)的純電動(dòng)汽車用鋰離子電池組。單體電池的尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為217.5mm×142mm×67mm，電池殼體厚度為1.5mm。電池組由56個(gè)單體電池組成，單體電池間隙為2.5mm，電池箱的整體尺寸為1 054mm×580mm×300mm，板厚為2mm。單體電池在電池箱內(nèi)的排列方式如圖1所示，雙層排列，上下層間隙為10mm，前后排間隙為16.5mm。汽車沿著箭頭相反方向行駛，根據(jù)此時(shí)運(yùn)行車速可折算出作用在電池組上的風(fēng)速。

1.2 電池組的散熱模型

文獻(xiàn)［4］中運(yùn)用電池?zé)崮Ｐ脱芯侩姵氐臒峁芾韱栴}，電池?zé)崮Ｐ偷膶?shí)質(zhì)是電池內(nèi)部各微元體的能量守恒方程。假設(shè)組成電池的各種材料介質(zhì)均勻、密度一致;同一材料的比熱為同一數(shù)值、同一材料在同一方向各處的傳熱系數(shù)相等;電池充放電時(shí)，電池內(nèi)部各處電流密度均勻［5］。基于以上假設(shè)可得電池組直角坐標(biāo)系三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型為

式中:ρ為傳熱介質(zhì)密度;CP為比熱;θ為溫度;t為時(shí)間;λx、λy、λz為沿 X、Y、Z 的傳熱系數(shù);Qz為生熱量。計(jì)算電池內(nèi)部溫度場(chǎng)的實(shí)質(zhì)是求解式(1)所示的傳熱微分方程。求解上述方程須解決3個(gè)關(guān)鍵問題:(1)生熱量的準(zhǔn)確表達(dá);(2)熱物性參數(shù)ρ、CP、λ的準(zhǔn)確獲取;(3)定解條件(初始條件和邊界條件)的準(zhǔn)確確定。

1.3 電池生熱量

電池的生熱量主要由反應(yīng)熱、極化熱、副反應(yīng)熱和焦耳熱4部分組成。對(duì)于鎳氫電池來(lái)說(shuō)，因?yàn)槌浞烹娺^程中有氧氣析出，不可避免地會(huì)與氫氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生副反應(yīng)熱。而對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)，這部分熱量幾乎為零，因此電池內(nèi)部反應(yīng)熱只考慮剩下的 3 部分熱量［6－7］。

式中:Q為化學(xué)反應(yīng)過程正負(fù)極產(chǎn)熱量的代數(shù)和，kJ/mol;I為放電電流，A。

式中Rp為極化內(nèi)阻，Ω。

式中Re為電子流動(dòng)過程中內(nèi)阻，Ω。

當(dāng)鋰離子電池溫度達(dá)到70～80℃時(shí)，反應(yīng)熱占電池總產(chǎn)熱量的絕大比例;而在低于上述溫度充放電時(shí)，焦耳熱占較大比例。一般鋰離子電池的正常工作溫度為－20～65℃，因此，鋰離子電池正常工作時(shí)的發(fā)熱量主要由極化熱和焦耳熱組成。

單位面積電池自身發(fā)熱功率，即熱流密度為

式中S為單體電池上發(fā)熱面面積，m2。

1.4 計(jì)算網(wǎng)格

在對(duì)鋰電池組進(jìn)行溫度場(chǎng)建模和數(shù)值模擬時(shí)，提出4個(gè)假設(shè)條件:①在散熱系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)中，流體看成理想不可壓縮流體;②流體與固體間無(wú)相對(duì)滑動(dòng);③流體的慣性力忽略不計(jì)且邊界壓力為0;④忽略散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)熱變形。

對(duì)電池組模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化后，選取其1/4作為幾何模型。周圍空氣網(wǎng)格模型是無(wú)限大的，因受計(jì)算機(jī)配置的限制，只考慮電池組周圍200mm內(nèi)的范圍。計(jì)算網(wǎng)格的生成使用FLUENT公司開發(fā)的Gambit網(wǎng)格生成工具，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，生成的網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)約有220萬(wàn)個(gè)。

1.5 邊界條件、初始條件和求解器

將流體和固體界面設(shè)置為耦合傳熱固壁邊界，當(dāng)電池放電電流為30A、車速為100km/h時(shí)，電池組和空氣的相對(duì)速度為25m/s，即為電池組迎風(fēng)速度。初始溫度取為27℃，電池殼體材料為不銹鋼，單體電池之間氣體為空氣，電池組密封，箱體材料為不銹鋼。根據(jù)式(8)，算得電池組的熱流密度為26.34W/s2。所有流體視為單一流體介質(zhì)，采用k-ε湍流模型。各介質(zhì)的物性參數(shù)見表1［8］。

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

電池組箱體導(dǎo)熱過程可認(rèn)為是典型的耦合傳熱。求解耦合傳熱問題的有效方法是整場(chǎng)離散和整場(chǎng)求解［9］，把不同區(qū)域中的熱傳遞過程組合起來(lái)作為一個(gè)統(tǒng)一的換熱過程。流體部分和固體部分直接耦合，使用相同的離散規(guī)則和數(shù)值方法進(jìn)行迭代計(jì)算。壓力、動(dòng)量和能量的離散方法采用2階迎風(fēng)格式，動(dòng)量方程中的壓力和速度耦合方法采用SIMPLE算法［10］。

2 仿真結(jié)果分析

當(dāng)計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)，仿真計(jì)算得到的電池組內(nèi)部溫度分布如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4的仿真結(jié)果可知，電池溫度分布不均勻，溫升達(dá)到19℃。電池箱體中心處電池表面溫度最高為46℃，邊緣處電池表面溫度最低為32℃，溫差為14℃。這是由于電池箱和周圍空氣接觸，與中心位置的電池相比，電池箱周邊電池的對(duì)流換熱系數(shù)大、散熱條件好。電池組工作時(shí)，箱體內(nèi)部邊緣的空氣通過箱體與外界空氣進(jìn)行熱交換，使箱體邊緣位置的電池表面溫度相對(duì)較低。而箱體內(nèi)部空氣不流動(dòng)，不能將熱量及時(shí)帶走，造成熱量積累，因此箱體中心位置電池表面溫度最高。

3 電池組溫度場(chǎng)測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試條件

為評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車鋰離子電池箱散熱模型的合理性和驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確可靠性，對(duì)純電動(dòng)汽車原始鋰離子電池組進(jìn)行了溫度場(chǎng)試驗(yàn)。測(cè)試系統(tǒng)采用德國(guó)申克公司研發(fā)的汽車道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由3大部分組成:環(huán)境艙控制系統(tǒng)、底盤測(cè)功機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)在某企業(yè)技術(shù)中心的整車性能實(shí)驗(yàn)室環(huán)境艙中進(jìn)行，電池組溫度測(cè)試系統(tǒng)主要由T型熱電耦、單片機(jī)PIC16F877、熱電耦溫度補(bǔ)償放大芯片AD595、多路轉(zhuǎn)換開關(guān)芯片ADG608、A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS8320和串口通信控制芯片MAX487等組成。溫度傳感器的布置是電池組溫度測(cè)試的關(guān)鍵，溫度傳感器數(shù)目多，有測(cè)溫全面的優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)增加試驗(yàn)成本和散熱系統(tǒng)的壓力損失。考慮到電池組的對(duì)稱性和溫度分布不一致，溫度傳感器有可能失效，布置的溫度傳感器數(shù)量又不能太少。溫度傳感器在電池箱體內(nèi)部單體電池表面的布置如圖5所示。分別調(diào)節(jié)環(huán)境實(shí)驗(yàn)艙的環(huán)境溫度和風(fēng)速至規(guī)定值:27±2℃和25m/s。設(shè)定電池組的放電電流為30A，電動(dòng)車以100±5km/h的車速運(yùn)行。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

在電池組溫度平衡時(shí)得到的單體電池溫度如圖6所示，取電池模塊在整個(gè)試驗(yàn)工況中的溫度最高值和相應(yīng)的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖6可看出，實(shí)測(cè)溫度的分布和仿真溫度分布趨勢(shì)基本吻合。說(shuō)明本文中所建立的電動(dòng)車鋰離子電池組模型合理和準(zhǔn)確。但仿真結(jié)果普遍高于實(shí)測(cè)溫度，這是因?yàn)榉抡鏁r(shí)，所選取的空氣流速和實(shí)車行駛時(shí)折算的空氣流速有一定的誤差。

4 電池組結(jié)構(gòu)改進(jìn)和溫度場(chǎng)仿真

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案

通過對(duì)原始模型的研究和分析可知，因電池組內(nèi)部空氣不流動(dòng)和電池底部直接與箱體接觸，造成電池的溫度不均勻。改進(jìn)方案為:在電池箱體前后斷面開通風(fēng)口，尺寸為280mm×2.5mm×2mm，當(dāng)電池組迎風(fēng)時(shí)，空氣通過前面的通風(fēng)口進(jìn)入電池組箱體內(nèi)部，氣流在各個(gè)單體電池間隙流動(dòng)進(jìn)行熱交換之后，從后面的通風(fēng)口出來(lái)，把熱量帶走，降低溫升，實(shí)現(xiàn)溫度的均勻性。通風(fēng)口位置如圖7所示。在電池箱內(nèi)部，各個(gè)單體電池之間的間隙形成通風(fēng)道。

4.2 溫度場(chǎng)仿真

電池箱改進(jìn)后的電池組溫度仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

從圖8和圖9可清晰看到，氣流從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池組內(nèi)部，穿過各個(gè)單體電池間的縫隙，氣流與電池外殼進(jìn)行換熱，流動(dòng)過程中逐步被加熱，流經(jīng)出風(fēng)口及時(shí)將部分熱量帶走，起到冷卻作用。其中電池組中間的幾個(gè)縫隙因?yàn)榱鲃?dòng)阻力較小，流速比兩邊縫隙快，換熱系數(shù)大，因此中間位置的電池溫度也相對(duì)較低。邊緣兩側(cè)的電池因靠近外界空氣。散熱條件好，溫度也較低。如圖10所示，電池表面溫度最高為33℃，出現(xiàn)在電池組左右各1/4處的位置。電池組散熱效果改進(jìn)前后比較結(jié)果見表2。

表2 電池組散熱效果改進(jìn)前后比較

從表2可看出，在開了進(jìn)風(fēng)通風(fēng)口之后，電池組的溫升明顯下降，最高溫度從46℃降至33℃;電池之間的溫差也從14℃降至6℃，均勻性顯著提高。

5 結(jié)論

(1)利用FLUENT軟件對(duì)鋰離子電池組的溫度場(chǎng)進(jìn)行了建模和仿真分析，計(jì)算出了各電池殼體外表面的平均溫度、最高溫度和最大溫差，并和試驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果吻合良好，說(shuō)明該模型能較好地反映電池組的溫度場(chǎng)分布情況。

(2)原始電池組的溫升較高，最高溫度達(dá)46℃;均勻性較差，溫差達(dá)到14℃，影響電池組的使用性能。主要是因?yàn)殡姵亟M內(nèi)部空氣不流動(dòng)，換熱系數(shù)低，造成熱量積累、溫度分布不合理。

(3)提出了改進(jìn)方案，通過在電池組箱體前后端面增加進(jìn)出風(fēng)口，可使氣流進(jìn)入電池組內(nèi)部各個(gè)單體電池之間的縫隙，提高了換熱系數(shù)，改善了電池組內(nèi)部的溫度場(chǎng)，帶走了熱量。電池組的最高溫度從46℃降至33℃，溫升下降了13℃。電池之間的溫差控制在6℃以內(nèi)，均勻性顯著提高。

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