混合動(dòng)力客車鋰離子電池組散熱分析與優(yōu)化

韓 磊，趙 津，肖光飛，胡秋霞

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

隨著全球能源與環(huán)境系統(tǒng)面臨越來越大的挑戰(zhàn)，人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，以及各國政府的大力支持，新能源與智能汽車正引領(lǐng)著汽車行業(yè)新一輪的革命。作為新能源汽車最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，電池技術(shù)的發(fā)展在近幾年已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，然而電池?zé)崾Э貑栴}卻一直未得到很好的解決，影響著電池的使用安全性[1]。因此，為了提高電池組的散熱能力，對其散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義[2]。

國內(nèi)外，多所高校和科研機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)研究，文獻(xiàn)[3]分析了不同坡度與車速情況下電池組的溫升情況，發(fā)現(xiàn)隨著坡度與車速的增加，電池組的溫度與溫差越大；基于此提出了應(yīng)對溫度變化的電池組散熱優(yōu)化方案，并且在不同工況下的仿真實(shí)驗(yàn)表明所提出的優(yōu)化方案可以有效降低電池組的溫度與溫升，使電池工作在合理的溫度范圍之內(nèi)。文獻(xiàn)[4]針對電池包往復(fù)空氣流動(dòng)模式的流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果認(rèn)為周期性往復(fù)流動(dòng)形式有助于熱量的重新分布，改善換熱效果。往復(fù)流動(dòng)形式與傳統(tǒng)的單向流動(dòng)形式相比，電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度差異減少約4℃，電池工作120s時(shí)最高溫度減少1.5℃。

在前人研究的基礎(chǔ)上，針對某客車集團(tuán)一輛插電式混合動(dòng)力客車在實(shí)車實(shí)驗(yàn)期間出現(xiàn)的鋰離子電池組溫度過高現(xiàn)象，在AMESim軟件中建立了該電池組的散熱模型，得到了鋰離子電池在一定工況下溫度隨時(shí)間變化的曲線，分析了電池組溫度過高的原因，并且對該客車電池組原有的散熱結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案，利用Fluent軟件對比分析了原有結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)下電池組的溫度與流場速度分布情況，結(jié)果表明所提出的優(yōu)化方案能夠解決本客車出現(xiàn)的散熱問題，達(dá)到良好的散熱效果。

2 AMESim中鋰離子電池組散熱模型搭建與仿真

選用一輛插電式混合動(dòng)力客車中的鋰離子電池組為研究對象，該電池組采用四組并聯(lián)排布的形式，每一并聯(lián)組又由40個(gè)電池單體串聯(lián)組成。單體電池的物理參數(shù)，如表1所示。

表1 單體電池參數(shù)Tab.1 The Parameters of a Single Battery

2.1 建模

該客車在實(shí)車實(shí)驗(yàn)階段出現(xiàn)電池組溫度過高現(xiàn)象，原因如下：（1）電池箱并聯(lián)組模布置，安裝在車頂前軸上方，如圖1所示。在夏天時(shí)環(huán)境溫度高，陽光照射，使得電池箱所處的外界溫度很高，影響散熱效果；（2）該電池組采用串聯(lián)風(fēng)冷的散熱方式，使得電池組內(nèi)各單體電池之間存在較大溫差。

由于電池箱中電池單體數(shù)量過多，為了簡化模型，只考慮其中一條串聯(lián)支路的40節(jié)電池單體的情況，按照8列5行的排列方式布置。利用AMESim中的Electric-Storage庫和Thermal庫搭建了該客車原始的串聯(lián)風(fēng)冷散熱系統(tǒng)模型[5]，如圖2所示。該模型主要由串聯(lián)的40個(gè)鋰離子電池單體，散熱器，冷卻通道組成，每個(gè)電池單體包括了電氣模塊和熱模塊，熱模塊用來計(jì)算電池單體表面的平均溫度，電器模塊用來計(jì)算電池生熱量，電流等電氣特性[6]。40個(gè)電池單體串聯(lián)接在負(fù)載上，散熱器模型是由電機(jī)，風(fēng)扇，溫度控制器組成，當(dāng)電池溫度比較低時(shí)，風(fēng)扇不啟動(dòng)；當(dāng)電池溫度過高時(shí)，溫度控制器控制電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，風(fēng)扇將冷空氣吹入電池組，帶走電池表面的熱量，以達(dá)到對電池組散熱的目的。

圖1 整車外形圖Fig.1 The Outline of the Car

圖2 電池組串聯(lián)風(fēng)冷散熱模型Fig.2 A Series of Air-Cooled Heat Dissipation Models

2.2 仿真與分析

散熱模型建立之后，用表1的數(shù)值設(shè)置每一個(gè)電池單體的物理參數(shù)，并且將環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，自定義設(shè)置電池負(fù)載工況為恒流充放電工況[7]。選擇圖2模型中正對冷卻風(fēng)扇的一組電池（以下簡稱中間組）作為研究對象，得出該組電池實(shí)時(shí)溫度變化情況，如圖3所示。從仿真圖可以看出，在一個(gè)循環(huán)工況內(nèi)，電池單體溫度隨著時(shí)間的變化是非線性的，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，溫度控制器控制風(fēng)扇開啟，這時(shí)電池溫度有很明顯的下降，到一定閾值，風(fēng)扇關(guān)閉，電池溫度又逐漸升高，如此往復(fù)。同時(shí)由于是串聯(lián)風(fēng)冷的散熱方式，因此電池溫度隨著空氣的流動(dòng)方向逐漸升高，接近風(fēng)扇的地方電池溫度較低，越遠(yuǎn)離風(fēng)扇電池溫度越高，單體電池之間的最高溫差達(dá)到4.1℃。由于只考慮了一組電池支路的情況，但在實(shí)際行駛中，電池箱是由四組電池支路并聯(lián)組成的，所以電池之間的溫差會(huì)更大。電池之間的溫度分布不均勻會(huì)影響電池的使用以及壽命，甚至是安全[8]，并且單體電池的最高溫度達(dá)到了47℃，超過了最佳工作溫度，因此對電池組散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要的意義。

圖3 中間組電池溫度變化情況Fig.3 The Temperature Change of the Battery in the Middle Group

3 散熱結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

由于電池箱內(nèi)電池單體數(shù)量過多，為了簡化模型，同時(shí)為了與前文AMESim仿真的條件保持一致，在Fluent仿真時(shí)也只考慮其中一條支路的40節(jié)電池單體串聯(lián)的情況，按照8列5行的排列方式布置。

3.1 原有結(jié)構(gòu)的溫度場與速度場分析

研究對象的電池組采用串聯(lián)風(fēng)冷的散熱方式，風(fēng)扇將冷卻空氣從電池包左側(cè)送入，流動(dòng)的冷卻空氣與電池表面進(jìn)行對流換熱，帶走電池表面生成的熱量并且從右側(cè)出風(fēng)口排出[9]。通過Fluent軟件仿真分析本車型原有散熱結(jié)構(gòu)的溫度場與速度場。仿真條件為：在穩(wěn)態(tài)傳熱的模擬條件下，在10C放電倍率下電池的生熱率為46972.58W/m3，環(huán)境溫度為298K，冷卻空氣與電池表面的對流換熱系數(shù)為10W/（m2·k），進(jìn)口風(fēng)速設(shè)為5m/s，電池箱體表面為絕熱。通過Fluent仿真分析后，本客車原有散熱結(jié)構(gòu)的溫度場與速度場，如圖4所示。

從溫度場云圖可以看出，采用串聯(lián)風(fēng)冷的散熱方式時(shí)，電池組的溫度分布不均勻，中間三行由于受到空氣的正面冷卻，相比靠近電池箱體的兩行溫度較低，并且沿著冷空氣流動(dòng)方向電池單體表面溫度逐漸升高，越遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口，電池單體溫度越高。電池組中的最高溫度為307.05K，最低溫度為302.27K，溫差為4.78℃。溫度場的分布與速度場的分布具有一定聯(lián)系，從圖4（b）可以看出，冷卻空氣流動(dòng)越快的地方一般溫度也較低。整個(gè)電池組中空氣流動(dòng)分布很不均勻，電池組的中間三行空氣流動(dòng)速度較快，靠近電池箱體的兩側(cè)，空氣流動(dòng)相對緩慢。

圖4 原有結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation Results of the Original Structure

3.2 并聯(lián)風(fēng)冷的優(yōu)化方案

為了使電池組的電池單體溫度分布更為均勻，考慮采用并聯(lián)強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱方案。即進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在左下側(cè)，出風(fēng)口設(shè)置在右上側(cè)，同時(shí)采用圓角的方式過渡，這樣的設(shè)置延長了冷卻空氣在電池箱體中流過的路徑，充分地冷卻了電池單體尤其是靠近箱體兩側(cè)的電池組。通過Fluent軟件仿真分析并聯(lián)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)下電池組的散熱情況，模擬條件不變，得到電池組的溫度場與速度場的分布，如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，采用并聯(lián)風(fēng)冷的散熱方案時(shí)，由于冷卻風(fēng)在電池箱體中流過的面積更為充分，電池組的溫度分布均勻性有了很大的改善，沿著冷卻空氣流動(dòng)的方向電池單體溫度并未有明顯的升高，并且電池單體最高溫度為307K，最低溫度為302.95K，溫差為4.05℃，與原有結(jié)構(gòu)相比較，溫差有所降低。從速度場的分布來看，圓角過渡能有效地促進(jìn)氣流平穩(wěn)流動(dòng)，相對于原有結(jié)構(gòu)冷卻氣流在電池箱體內(nèi)部的流動(dòng)較為充分，但是速度分布并不均勻，箱體底部氣流流動(dòng)速度較快，靠近箱體頂部處氣流流動(dòng)很緩慢。因此需要對并聯(lián)風(fēng)冷的散熱結(jié)構(gòu)再改進(jìn)。

圖5 并聯(lián)風(fēng)冷散熱仿真結(jié)果Fig.5 Simulation Results of Parallel Air Cooling

3.3 插排風(fēng)冷的優(yōu)化方案

為了使電池箱體中電池組的速度分布更加均勻，在并聯(lián)風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，改變電池組的排列方式來引導(dǎo)冷卻空氣的流向，使冷卻空氣流動(dòng)更加充分。電池組的排列采用“插排”的方式，在相同的模擬條件下，利用Fluent仿真分析，則電池組的溫度場與速度場分布圖，如圖6所示。

圖6 “插排”冷卻方式仿真結(jié)果Fig.6 Simulation Results of the Cooling Mode of Insertion

從圖6（a）的溫度場分布云圖可以看出采用“插排”散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，電池組整體溫度分布十分均勻，去除箱體左上角溫度最高的一塊電池單體，該散熱結(jié)構(gòu)下電池最高溫度為307.57K，最低溫度為303.63K，溫差為3.94℃。并且沿著冷空氣流動(dòng)方向，電池組溫度沒有明顯降低的情況。從圖6（b）的速度場分布可以看出，與并聯(lián)風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)相比，該散熱方案的冷卻空氣流動(dòng)范圍更廣，每行電池之間都有冷卻空氣流過，增大了冷卻行程，電池整體的溫度均勻性也更好。為了更加直觀的了解三種散熱結(jié)構(gòu)對電池組溫度分布的影響，選擇電池箱體最底端的一行電池單體，從左至右分別編號為電池（1～8），記錄8塊電池表面的平均溫度，繪制成曲線，如圖7所示。從圖中可以看出，原有結(jié)構(gòu)下，電池單體之間的溫差最大，并且溫度最高；雖然采用并聯(lián)散熱的結(jié)構(gòu)時(shí)，電池箱體最底端一排的電池單體溫度較低，但是其溫差有較大波動(dòng)，溫度分布不均勻；而當(dāng)采用插排散熱時(shí)，電池溫度分布很均勻，單體之間溫差不大，同時(shí)與并聯(lián)散熱相比溫度雖然有所升高，但是在工程實(shí)際中屬于可接受的合理范圍內(nèi)，因此采用基于并聯(lián)風(fēng)冷散熱的插排式散熱結(jié)構(gòu)具有較好的散熱效果，能夠兼顧電池單體的溫度與溫度分布均勻性問題。

圖7 電池表面平均溫度Fig.7 Average Surface Temperature of Battery

4 結(jié)論

良好的散熱結(jié)構(gòu)可以提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻能力，均勻電池組內(nèi)溫度分布情況，延長電池組的使用壽命以及提高安全性[10]。根據(jù)某客車集團(tuán)一輛插電式混合動(dòng)力客車在實(shí)車實(shí)驗(yàn)階段出現(xiàn)的電池箱溫度過高的問題，通過在AMESim軟件中建立研究對象的電池組散熱模型，證明了該客車原有的電池組散熱結(jié)構(gòu)并不能滿足企業(yè)對電池的散熱要求，因此提出了兩種散熱優(yōu)化方案：并聯(lián)式散熱與插排式散熱。通過利用Fluent仿真分析原有結(jié)構(gòu)以及兩種優(yōu)化結(jié)構(gòu)下電池組散熱情況，得出兩種優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)均能有效地降低電池單體的溫度，提高電池組溫度分布的均勻性，其中“插排”式的散熱方案在降低電池溫度的同時(shí)，平衡電池溫度均勻性方面效果最好，可以達(dá)到企業(yè)的散熱要求，以使電池的穩(wěn)定性與安全性得以提高。