電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池散熱分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)*

， ，

(1.貴航股份永紅散熱器公司，貴州貴陽(yáng)550000；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550000)

0 引言

汽車(chē)是現(xiàn)代文明的重要組成部分，它在推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，也造成日益嚴(yán)重的能源危機(jī)與環(huán)境污染危害。嚴(yán)峻的能源與環(huán)境挑戰(zhàn)使交通能源轉(zhuǎn)型成為汽車(chē)行業(yè)面臨的主要任務(wù)，汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化成必然之勢(shì)[1]。電池組是純電動(dòng)汽車(chē)唯一的動(dòng)力源，它的工作性能對(duì)電動(dòng)車(chē)而言至關(guān)重要，而電池組的溫度對(duì)電池組的性能與壽命而言也是至關(guān)重要的。對(duì)電池組進(jìn)行熱管理直接影響整車(chē)的性能。如果電池組溫度過(guò)高，超出正常工作范圍，電池組內(nèi)部不可逆物質(zhì)生成加快，同時(shí)各電池單體由于工作狀態(tài)的差異性，使得電池組溫差較大，溫差又加劇了電池組充放電狀態(tài)的差異性，導(dǎo)致電池組的循環(huán)使用壽命較少。溫度達(dá)到電池材料的燃點(diǎn)甚至?xí)痣姵亟M起火；電池組在低溫狀態(tài)下工作時(shí)，電池組的使用壽命減少、充放電量降低、放電效率也會(huì)降低。電動(dòng)車(chē)的電池組是串聯(lián)在一起的，任何一個(gè)單體溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響到整個(gè)電池組，若電池組長(zhǎng)期處在溫差較大的狀態(tài)下，由此引起的電池組中電池的容量不均衡會(huì)影響整個(gè)電池組的容量，所以必須對(duì)電池組進(jìn)行熱管理。

簡(jiǎn)單地改變通風(fēng)方式不能使通風(fēng)散熱效果達(dá)到最佳，近年來(lái)各國(guó)研究人員紛紛對(duì)電池組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善散熱效果。在風(fēng)冷散方面，Anthony Jarrett等人研究了電動(dòng)汽車(chē)高能量電池的散熱板結(jié)構(gòu)，研究采用風(fēng)冷方式對(duì)電池組進(jìn)行冷卻，并對(duì)冷卻通道的幾何形狀、長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行優(yōu)化。使用CFD軟件進(jìn)行模擬仿真，得到冷卻空氣的壓降和平均溫升，再任意改變冷卻通道的形狀來(lái)進(jìn)行散熱效果對(duì)比，結(jié)果表明上述的任何一個(gè)設(shè)計(jì)都能滿(mǎn)足流體壓降和平均溫升的要求。通過(guò)優(yōu)化結(jié)果比較，他們把散熱板的冷卻通道設(shè)計(jì)成蛇形通道[2]；Kelly等人基于本田Insight和豐田Prius兩款車(chē)進(jìn)行動(dòng)力電池組風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)根據(jù)電池箱中電池的環(huán)境溫度分布狀況對(duì)風(fēng)機(jī)工作模式進(jìn)行實(shí)時(shí)選擇，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明兩個(gè)電池組的電池單體間溫差較小，且電池組的環(huán)境溫度處于電池組正常工作溫度范圍[3]；Khodadadi J M等人對(duì)電池組單體間間距和電池包空氣入口流速進(jìn)行研究以?xún)?yōu)化電池組最高溫度和溫度均勻性，并且通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行單側(cè)散熱和雙側(cè)散熱實(shí)驗(yàn)以對(duì)比在散熱效果和電池包緊密性方面的優(yōu)劣，最后進(jìn)行數(shù)學(xué)分析得出較優(yōu)的散熱模型[4]；Xu X M和He R對(duì)電池組進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流散熱并分析電池包冷空氣進(jìn)出口位置和電池布置形式對(duì)電池散熱效果的影響，并且通過(guò)電池組散熱實(shí)驗(yàn)和軟件模擬仿真分析對(duì)電池組的通風(fēng)形式進(jìn)行研究，即是研究空氣橫向、空氣縱向和U形管式通風(fēng)對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響[5]。

本文采用理論分析與仿真分析相結(jié)合的方法對(duì)2C放電狀態(tài)下鋰離子電池的溫升特性、電池組2C狀態(tài)下散熱溫度場(chǎng)分析以及對(duì)電池組結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化以改善電池組的散熱效果，從而保證電池組工作的環(huán)境溫度維持在一定范圍，提高電池組的性能以及安全性。

1 鋰電池溫度場(chǎng)仿真

1.1 電池單體幾何模型建立

鋰離子電池在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，如果不對(duì)電池進(jìn)行及時(shí)且有效的散熱，不僅會(huì)嚴(yán)重影響電池的工作性能和工作循環(huán)周期，而且會(huì)造成電池自燃或爆炸。要對(duì)電池加載散熱系統(tǒng)以改善電池組的工作環(huán)境溫度，首先要了解電池的熱行為，使用建模與仿真軟件對(duì)電池進(jìn)行熱模擬可以有效模擬電池的熱行為和溫升變化情況。本文使用SolidWorks對(duì)電池單體建立幾何模型，使用ICEM CFD劃分網(wǎng)格模型以及使用FLUENT對(duì)電池進(jìn)行放電狀態(tài)下的溫度場(chǎng)仿真分析，對(duì)車(chē)載鋰離子電池進(jìn)行研究，電池的主要參數(shù)如表1。

表1鋰離子電池主要性能參數(shù)

根據(jù)電池的幾何參數(shù)，將電池的幾何模型簡(jiǎn)化為一個(gè)立方體，使用SolidWorks對(duì)簡(jiǎn)化的電池模型進(jìn)行幾何建模。

1.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型導(dǎo)入ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于幾何模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，將劃分的網(wǎng)格模型以mesh文件格式導(dǎo)入FLUENT中，為減小計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間，預(yù)測(cè)電池?zé)嵝袨榭梢宰鞒鋈齻€(gè)假設(shè)[6]：

1)電池內(nèi)部材料均質(zhì)；

2)內(nèi)熱源溫度均勻分布；

3)電池內(nèi)沒(méi)有對(duì)流或熱輻射。

圖1 電池溫度云圖

通過(guò)設(shè)置電池參數(shù)和邊界條件，得到電池單體在2C放電狀態(tài)下放電1510 s后電池的溫度云圖如圖1所示。

1.3 結(jié)果和討論

經(jīng)CFD仿真計(jì)算，本文所選型號(hào)的電池單體在2C放電狀態(tài)下持續(xù)放電1510 s后電池的溫度在321 K～323 K之間，與之相同條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本相同。說(shuō)明電池幾何模型較準(zhǔn)確、仿真模型設(shè)置較為合理，后續(xù)電池組仿真可以在電池單體仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算。

2 電池組建模與仿真

2.1 電池組建模

在得到電池單體的溫升情況和驗(yàn)證電池單體仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性之后，對(duì)電池組進(jìn)行電池2C放電狀態(tài)下的溫度場(chǎng)仿真分析。要建立有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)就要對(duì)電池組內(nèi)部溫度分布情況有所了解，通過(guò)仿真分析可以大致了解電池組內(nèi)的溫度場(chǎng)分布，再根據(jù)分析結(jié)果對(duì)電池組進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣才能逐步建立一個(gè)有效的電池組散熱系統(tǒng)。

由電池單體的尺寸設(shè)計(jì)電池箱體的尺寸為：77 mm×142 mm×175 mm，進(jìn)出風(fēng)口尺寸設(shè)計(jì)為20 mm×73 mm，電池箱體厚2 mm。通過(guò)SolidWorks對(duì)電池組進(jìn)行幾何建模，模型如圖2。

圖2 電池組幾何模型

2.2 電池組仿真

將建立的幾何模型導(dǎo)入CFD ICEM中進(jìn)行幾何區(qū)域定義與網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)注意定義固體域和流體域，并設(shè)置固體域與流體域之間的面為wall類(lèi)型。劃分網(wǎng)格后對(duì)模型進(jìn)行質(zhì)量檢查，質(zhì)量合格。

由已經(jīng)算出電池單體的各熱物性參數(shù)如密度、比熱容以及導(dǎo)熱系數(shù)，電池組的6塊電池的熱物性與之相同，而電池組箱體的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)分別使用查閱相關(guān)資料得出。通過(guò)設(shè)置參數(shù)和邊界條件經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得出電池組溫度云圖3、單體電池溫度云圖4。

圖3所示是整個(gè)模型的溫度云圖，進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口分布在異側(cè)。電池組溫度場(chǎng)左下角與右上角溫差較大，由圖可知左下角溫度較低，右上角溫度較高。電池組模型的流體速度分布不理想，可知電池組持續(xù)放電5 min后溫度在299.655 K～315.0219 K之間，溫差為15.3669 K。綜合可知，進(jìn)風(fēng)口處的電池散熱效果較出風(fēng)口處的電池散熱效果差，造成電池組溫差較大。

圖3 電池組溫度云圖 圖4 電池單體溫度云圖

3 電池組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 改變出風(fēng)口位置

通過(guò)改變進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口異側(cè)變成同側(cè)，具體尺寸保持不變，重新建模將已建立的幾何模型導(dǎo)入到前處理軟件CFD ICEM中劃分網(wǎng)格，檢查質(zhì)量合格。將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent中并執(zhí)行Check命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量合格，計(jì)算策略、材料熱物性參數(shù)、求解器、定義熱源以及邊界條件的定義與上節(jié)電池組模型設(shè)置相同，并且將六塊電池的初始溫度也設(shè)置為313.15 K。時(shí)間步的設(shè)置與上節(jié)電池組模型設(shè)置相同。

經(jīng)仿真計(jì)算，電池組在2C放電狀態(tài)下持續(xù)放電5 min，同時(shí)在溫度為300 K、入口風(fēng)速為3 m/s的冷空氣的散熱下，得出電池組整體溫度云圖5、單體電池溫度云圖6。

圖5 同側(cè)出風(fēng)口電池 圖6 同側(cè)出風(fēng)口電池 組溫度云圖 單體溫度云圖

由圖5和圖6，可以得知電池組上部溫度較高。從圖4所示的六塊電池單體溫度云圖可知，從進(jìn)風(fēng)口往后的第3、4、5塊電池散熱情況較其他三塊電池差?？芍姵亟M溫度在299.9955 K～314.0504 K之間，溫差為14.0549 K。

經(jīng)過(guò)電池組模型與改變后電池組模型的仿真分析，對(duì)兩者的仿真結(jié)果進(jìn)行比較如表2。通過(guò)對(duì)前后兩種電池組模型進(jìn)行仿真比較，最后的出口改進(jìn)后電池組模型散熱效果較好，但是電池組的溫差仍然較大，這是由于各塊電池單體的生熱率不相等造成的。

表2

電池組模型流體速度分布溫度最大值/K溫差/K改進(jìn)后較均勻314.050414.0549原型較差315.021915.3669

3.2 調(diào)整電池順序

在同側(cè)電池組模型的基礎(chǔ)上對(duì)電池組內(nèi)電池的排列順序進(jìn)行優(yōu)化，電池組內(nèi)個(gè)電池單體的散熱效果由進(jìn)風(fēng)口處往后依次變差，所以提出一個(gè)優(yōu)化策略：將個(gè)電池單體按生熱率由高到低、從進(jìn)風(fēng)口處依次往后排列。得出仿真結(jié)果電池組溫度云圖7、單體電池溫度云圖8。

圖7 電池組模型溫度圖 圖8 電池單體溫度云圖

可知，調(diào)整單體電池順序后的電池組模型溫度場(chǎng)、流體速度分布較均勻，溫度在299.9958 K～314.0112 K之間，溫差為14.0154 K。而原電池組模型的最高溫度為314.0504 K，溫度差為14.0549 K。與原電池組模型相比，最大溫度和溫差都降低，調(diào)整順序后電池散熱效果更好。

4 結(jié)論

為對(duì)電動(dòng)客車(chē)動(dòng)力電池進(jìn)行散熱系統(tǒng)優(yōu)化，通過(guò)先對(duì)電池單體進(jìn)行建模仿真，得出的仿真結(jié)果可靠，再對(duì)電池組進(jìn)行建模仿真，了解電池組整體溫度分布及單體電池溫度，得出溫差和最高溫度。通過(guò)改變出風(fēng)口位置和調(diào)整電池單體順序得出結(jié)論如下：

1)進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口同側(cè)比進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口異側(cè)散熱效果好，最高溫度和溫差有所下降。同時(shí)流體速度分布相對(duì)較均勻。

2)通過(guò)調(diào)整單體電池順序可使生熱率較高的電池處于靠近進(jìn)風(fēng)口散熱良好的位置，有效的降低了溫差，改善了電池組溫度的均勻性，提高電池組的安全性能，延長(zhǎng)電池組的使用壽命。