純電動汽車動力電池包散熱數(shù)值仿真研究

扶原放，劉朝暉，張 玲，劉 萌

（重慶長安汽車股份有限公司北京研究院，北京 102209）

純電動汽車動力電池包散熱數(shù)值仿真研究

扶原放，劉朝暉，張 玲，劉 萌

（重慶長安汽車股份有限公司北京研究院，北京 102209）

為了解決某純電動汽車在高速工況下電池包散熱問題，以其動力電池包和簡化車體為研究對象，在STAR-CCM+軟件平臺上開展了電動汽車動力電池包的散熱對比分析，提出了增加導熱介質(zhì)的解決方案，并選定了最優(yōu)方案進行實車試驗驗證。實車試驗結(jié)果表明，該優(yōu)化方法成本較低，可行性好，解決了電池包散熱困難的問題，為電動汽車動力電池包的熱管理開發(fā)提供了新思路。

電池包；散熱；流固熱耦合；STAR-CCM+

動力電池包是電動汽車的關鍵部件，直接影響電動汽車的動力經(jīng)濟性能。由于車輛上空間有限，某些工況下，電池在工作中產(chǎn)生的大量熱量受空間影響而累積，造成各處溫度不均勻，從而影響電池單體的一致性，影響電池的功率和能量發(fā)揮［1-6］。當溫度進一步升高，為避免熱失控發(fā)生，通常會部分限制電流功率輸出；當?shù)竭_一定溫度，多數(shù)電動汽車策略會完全斷電處理，從而造成車輛拋錨［7-10］。本文以某大中型電池包為主要研究對象，針對其在夏季高溫環(huán)境下、高速行駛特定工況下、大功率長時間放電而造成的散熱問題，在STAR-CCM+軟件平臺上開展散熱對比分析，研究電池包內(nèi)增加不同導熱介質(zhì)的升溫情況，為新能源汽車開發(fā)提供參考。

1 模型前處理

為了解決某中型客車高溫環(huán)境下、連續(xù)長時間高速行駛工況下的散熱問題，采用CFD方法對其電池包開展散熱分析研究。以詳細電池包模型和簡化車體為主要研究對象，為了能夠在STAR-CCM+軟件平臺中進行該電池包的瞬態(tài)計算分析，需要將幾何模型處理成一個單連通區(qū)域，幾何模型包括詳細的電池本體、電池包殼體和外部安裝支架，簡化了車體和底盤其它部件，并創(chuàng)建了計算域。電池包在計算域中的位置如圖1所示。

圖1 電池包在計算域中的位置

將簡化處理后的模型導入STAR-CCM+軟件中，設定電池模組網(wǎng)格目標尺寸10 mm，電池包殼體目標尺寸12 mm，其它車體部件目標尺寸20 mm。然后設定電池包和電池模組之間防接觸，尺寸為1 mm。完成以上設定，進行包面處理，包面完成后進行面網(wǎng)格重構(gòu)，以提高面網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。要求處理好的面網(wǎng)格模型無自由邊和T形連接等檢查問題，在此基礎上選用trimmer+prism網(wǎng)格策略進行體網(wǎng)格劃分，對電池周圍區(qū)域網(wǎng)格進行加密，目標尺寸20 mm。調(diào)整后獲得的體網(wǎng)格總數(shù)約900萬個。

2 計算設置

2.1 電池模組發(fā)熱功率計算

電池單體生熱率qi估算公式如下

整個電池包的發(fā)熱功率可以通過各模組電池包單體累加得到，相應的公式為

由此方法得到的電池包散熱功率存在累計誤差，這里采用電池生成模型公式結(jié)合試驗結(jié)果對系數(shù)進行校核修正?；跓崃W和傳熱學的理論知識，結(jié)合電池包中各單體內(nèi)部以及電池之間的生熱和傳熱原理，可得到電池熱理論模型［14］，電池生熱模型公式為

式中：ρ——電池平均密度；Cp——電池單體的比熱容；t——時間；kx、ky、kz——電池內(nèi)部沿x軸、y軸、z軸方向的熱導率。

公式（3）左側(cè)表示單位時間內(nèi)電池微元體熱力學能的增量，右側(cè)前3項表示通過界面的傳熱而使電池微元體在單位時間內(nèi)增加的能量，右側(cè)最后一項q為電池微元體的生熱速率。電池的比熱容一般可以通過對組成成分材料的比熱容加權平均進行估算，也可用熱量計測量來獲得電池的比熱容。常用的平均加權估算公式

式中：m——電池單體的質(zhì)量；mi——電池單體每種材料的質(zhì)量；Ci——電池單體每種材料的比熱容。

上述參數(shù)可在電池包臺架試驗中測量獲得，由此計算得出電池微元體的生熱速率，進而算得整個電池包平均散熱功率。計算工況中取實際應用過程中電池包的最大放電電流0.5 C（C為充電池的標準容量），經(jīng)計算和校核，0.5 C放電情況下電池包模組平均散熱功率約為14 kW/m3。

2.2 空氣流場側(cè)設置

入口采用速度邊界條件：Ve=100 km/h；出口處使用壓力出口邊界條件：Pr=0 Pa。

2.3 計算工況設置

計算分析了原來電池包殼體與電池模組之間無介質(zhì)填充工況和添加硅油等介質(zhì)的動力電池包的溫升情況，計算工況設置如下。

1）原工況：動力電池包殼體和電池模組之間介質(zhì)為空氣?？諝鈱嵯禂?shù)0.023 W/m·K。

2）硅油工況：動力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導熱系數(shù)0.12 W/m·K 的硅油。

3）液態(tài)石蠟工況：動力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導熱系數(shù)0.13 W/m·K 的液態(tài)石蠟。

4）變壓器油工況：動力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導熱系數(shù)0.16 W/m·K 的變壓器油。

5）導熱硅膠工況：動力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導熱系數(shù)1.8 W/m·K 的導熱硅膠。

3 計算結(jié)果對比分析

首先對該計算模型進行穩(wěn)態(tài)計算，待計算穩(wěn)定收斂后，停止計算；重新設置計算模型為瞬態(tài)模型，并設置固體計算法和流體計算法，同時選定固體區(qū)域和流體區(qū)域，并分別匹配。瞬態(tài)分析時間總共為6 000 s，時間步長取1.0 s，每個時間步長的內(nèi)迭代步數(shù)為20步，輸出圖片的頻率為10 s。

3.1 電池模組的溫度均衡性對比

作為電池包核心部件，電池模組的允許溫差就成了電池包一個重要參數(shù)。模塊由于大小和類型不同，可接受的溫度范圍也不一樣。一般小模塊最多可接受溫差為2～3 ℃，稍大模塊正常運行可接受的最大溫差為6～7 ℃，對于常用的純電動汽車鋰電池模組，其許用的模組溫差為8～10 ℃。所以對電池模組的溫度均衡性開展研究就顯得比較重要。本計算選取100 min最大溫度截面，各工況下溫度均衡性對比如圖2所示。

由圖2可以看出，原工況因為無導熱介質(zhì)，電池包空間密閉，模組之間布置緊湊，空氣難以流通，溫度普遍較高，在模組間距較小的第7排模組中間散熱情況最差區(qū)域，模組溫度最高；相對有介質(zhì)情況，無介質(zhì)狀態(tài)模組單體的溫差最小，普遍3 ℃左右，溫度均衡性最好。變壓器油、液態(tài)石蠟和硅油導熱系數(shù)相近，整個模組溫度相對無介質(zhì)均勻，在模組中心附近溫度最高，模組溫差5 ℃左右。采用導熱系數(shù)較大的導熱硅膠，模組最高溫度在整個模組中心位置，依次向外遞減，整個電池模組溫度分布最規(guī)則，個別模組單體溫差較大，約8 ℃左右，仍處于電池容許范圍內(nèi)。

圖2 各工況溫度分布情況

3.2 溫度曲線對比

為了最大儲能，整個動力電池包采用一大一小2個電池包布置，總儲能約72度電。小電池包6個模組，大電池包15個模組，整體布置緊湊。大電池包內(nèi)單個模組體積較大，因此模組內(nèi)溫度上升較快，這種情況下模組的最高溫度成為另一個重要的關鍵指標。對動力電池包而言，模組最高溫度45 ℃開始少部分限制電功率輸出，最高溫度達50 ℃限制大部分的電流輸出，模組最高溫度達55 ℃時完全限電。對該動力電池包，0.5 A的電流輸出能夠維持車輛以較高的速度行駛，因此主要考察50～55 ℃最高溫度時車輛使用情況?？紤]車輛高速行駛時，仍需要剩余部分電量以維持車輛能夠到達充電設備進行充電的需求，計算時間控制在100 min以內(nèi)。經(jīng)計算，各計算工況溫升曲線對比情況如圖3所示。

由圖3可以看出，在環(huán)境溫度27 ℃情況下，原工況無導熱介質(zhì)，溫度上升很快，約75 min到達50 ℃，部分限制動力電流輸出；如果繼續(xù)行駛，約90 min最高溫度到達55 ℃，從而完全限制動力電流輸出，這種情況對車輛的正常使用勢必造成一定的影響。當使用常見導熱材料后，無論是采用工業(yè)硅油，還是液態(tài)石蠟和變壓器油，連續(xù)大功率輸出動力電流100 min后，溫度上升至52 ℃左右，此時動力電流部分限電，不影響車輛的正常行駛。但若是繼續(xù)行駛使電池包繼續(xù)升溫，將會造成隨后的充電過程初始溫度較高，從而延長時長。若采用高導熱系數(shù)的新材料，例如導熱系數(shù)為1.8的工業(yè)硅膠，對于這種大容量布置緊湊的動力電池包，車輛高速行駛100 min后，動力電池最高溫度僅為46 ℃，一般情況下都不會限制動力電流輸出，也不會影響后續(xù)的充電過程，是優(yōu)化方案的首選。

采用高導熱硅膠方案，車輛開發(fā)時在某試驗場進行了可靠性試驗驗證，試驗車輛沒有出現(xiàn)動力限電和延長充電時長的情況，從而解決了高溫情況下動力限電和過長的充電時長問題。采用導熱介質(zhì)增加散熱方式，相對強制風冷或水冷成本低，不增加其它結(jié)構(gòu)部件，同時能進一步增加電池模組之間的絕緣性能，方案可行性好，為產(chǎn)品開發(fā)和進一步的研究提供了思路。

圖3 各計算工況溫升曲線

4 結(jié)論

1）介紹電池模組生熱計算模型，為實現(xiàn)流體和固體之間的熱量的傳遞，對流體和固體的交界面進行了耦合處理，在STAR-CCM+軟件平臺上進行電動汽車動力電池包的散熱對比分析，解決了特定工況下電池包散熱困難的問題，給出了動力電池包散熱優(yōu)化的實例。

2）利用導熱介質(zhì)材料解決電池包散熱問題，不增加其它新結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間，方便車輛整體布置；同時增加了內(nèi)部絕緣性能，提高車輛可靠性。

3）優(yōu)化方案的應用情況說明，方案設計合理，可靠性好，具備良好的可行性。同時計算也反映了整車可能出現(xiàn)的問題，為進一步的改進設計提供了有力的依據(jù)。

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（編輯 心 翔）

Numerical Simulation Research on Power Battery Package Cooling of A Pure Electric Vehicle

FU Yuan-fang， LIU Zhao-hui， ZHANG Ling， LIU Meng
（Beijing Changan Auto R＆D Center， Changan Automobile Co.， Ltd.， Beijing 102209， China）

To solve the battery pack cooling issue on a pure electric vehicle， based on the battery pack and a simplified vehicle body， a cooling performance comparison analysis is conducted on the STAR-CCM+ platform. Then a solution of adding thermal conduction medium is proposed， with a verification test on vehicles. The result shows the optimal strategy solves the battery pack overheating problem with relatively low cost and good feasibility， which provides useful reference for the thermal management development of pure electric vehicle power battery package.

battery package; cooling; fluid-structure interaction; STAR-CCM+

U469.72

A

1003-8639（2017）06-0009-04

2016-09-05

北京市科委項目（Z111104056011001）

扶原放（1977-），男，博士，高級工程師，主要研究方向為汽車空氣動力學和車體結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化，E-mail：fuyf@tsinghua.edu.cn。