基于COMSOL Multiphysics的動(dòng)力電池組散熱仿真

黃錫偉，戴海燕，胡樂(lè)祥，朱雋隆，黃曉強(qiáng)，楊增穎，李長(zhǎng)玉

（廣州城市理工學(xué)院 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

動(dòng)力電池組作為純電動(dòng)汽車(chē)（Electric Vehicle,EV）唯一的動(dòng)力來(lái)源，其性能對(duì) EV性能有著至關(guān)重要的影響。鋰離子電池因其諸多優(yōu)點(diǎn)，成為組成動(dòng)力電池組的主導(dǎo)電源。但由于鋰離子電池單體在幾何空間上受到排布的限制，且鋰離子電池在充放電過(guò)程中易生成大量的熱量，若散熱不及時(shí)，使得熱量集聚電池模組溫度上升，將會(huì)導(dǎo)致電池模組中各電池模塊之間的溫度分布不均勻，從而影響電池的一致性，導(dǎo)致動(dòng)力電池組的性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)降低電池的使用壽命，易引起安全事故。因此合理的設(shè)計(jì)動(dòng)力電池組的散熱模型，保證電池組的最佳使用性能顯得尤為重要。根據(jù)使用傳熱介質(zhì)不同可以將散熱分為三類(lèi)：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和幾種方法結(jié)合的方式。采用空氣冷卻方式獲得的冷卻效果較差，但是相對(duì)于其他冷卻結(jié)構(gòu)，空氣冷卻結(jié)構(gòu)在成本、輕量化和安全性方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。研究表明空氣冷卻安全性更高，且空氣冷卻方法可以達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)的要求。目前國(guó)內(nèi)對(duì)汽車(chē)電池包的散熱多采用空氣冷卻方式，柯堅(jiān)等針對(duì)電池包的形狀及電池排布，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法尋找最優(yōu)電池間隙，獲得最佳的電池排列方式。陳俊宇等利用ANAYS軟件仿真，通過(guò)增加電池組到風(fēng)扇距離和增加濾板表明電池組散熱效果得到明顯提升。胡寧等通過(guò)仿真分析，得到電池組平均溫度及溫差隨進(jìn)口風(fēng)速的提高可有效降低電池組平均溫度。目前電池組的散熱一般采用風(fēng)機(jī)抽吸式冷卻結(jié)構(gòu)，但使用風(fēng)扇、抽風(fēng)機(jī)、吹風(fēng)機(jī)或散熱器等設(shè)備對(duì)電池組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻散熱時(shí)，都會(huì)額外的消耗電池組的電能，使得電池的有效利用率降低。如果利用汽車(chē)行駛時(shí)流入電池的空氣對(duì)電池進(jìn)行自然冷卻，在減少額外電能的使用下，也可對(duì)動(dòng)力電池組起到冷卻作用。

考慮到成本、輕量化和安全性這 3個(gè)方面，本文選擇空氣冷卻方式的電池箱作為研究對(duì)象。并基于COMSOL Multiphysics軟件，使用18650型號(hào)的圓柱形鋰離子電池單體組成 4×5的電池組。通過(guò)改變電池放電倍率、入口風(fēng)速和傳熱系數(shù)，仿真比較電池組進(jìn)行空冷散熱方式時(shí)不同送風(fēng)方式下采用自然冷卻和強(qiáng)制冷卻的散熱效果。

1 模型建立

1.1 電池?zé)崮Ｐ?/h3>

通常為了簡(jiǎn)化電池?zé)崮Ｐ偷挠?jì)算，我們需要對(duì)電池做如下簡(jiǎn)化。電池各性能參數(shù)不隨溫度變化而發(fā)生改變；電池內(nèi)各部分的材料均勻；同一材料比熱容相等且同一方向各處的傳熱系數(shù)為同一數(shù)值。于是得到式（1）所示的電池的三維直角坐標(biāo)傳熱模型。

式中，為密度；為比熱容；為溫度；為時(shí)間；為生熱速率；K、K、K為導(dǎo)熱系數(shù)。

在對(duì)電池平均導(dǎo)熱系數(shù)、平均比熱和平均密度這些熱物參數(shù)的計(jì)算中，由于電池內(nèi)為多組分的電解質(zhì)且各導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)為各向異性。故在模型建立中，通過(guò)式（2）（3）分別計(jì)算電池徑向（K）和角度方向（K）的導(dǎo)熱系數(shù)為

式中，L為單體電池不同組成層的厚度；K為單體電池不同組成層材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)難以準(zhǔn)確地獲得電池組的生熱速率，因此，當(dāng)前常用BERNARDI提出的生熱速率模型來(lái)估算電池的生熱速率，估算公式為

當(dāng)電池組溫度處于平衡狀態(tài)時(shí)，由牛頓冷卻公式得

式中，為電池外部溫度；為周?chē)黧w溫度；為電池表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。本文根據(jù) PESARAN和MAHAMUD的研究總結(jié)，對(duì)于自然冷卻時(shí)取 5 W/(m·K)，強(qiáng)制冷卻時(shí)取 25 W/(m·K)。

1.2 幾何模型建立

本文在電池組的仿真研究中，主要為研究電池模組整體的熱行為，且模型建立中為避免實(shí)物進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)所帶來(lái)的困難，同時(shí)降低網(wǎng)格劃分的密集度，保證良好的網(wǎng)格劃分精度，提高計(jì)算的收斂性，減少計(jì)算時(shí)間。因此在對(duì)電池模組進(jìn)行組建時(shí)忽略電池次要的發(fā)熱結(jié)構(gòu)，考慮電池主要熱源，對(duì)電池模組進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化是必要的。簡(jiǎn)化后的模型在保證電池模組計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)降低模型的復(fù)雜度。本文選取18650錳酸鋰電池，各電池單體間隙為3.6 mm，并采用20個(gè)電池單體組成 4×5的電池模組。由戴海燕，李長(zhǎng)玉等通過(guò)仿真分析不同排列方式，對(duì)比得到采用交叉排列方案進(jìn)行散熱優(yōu)于對(duì)齊排列，故本文各散熱通道內(nèi)的電池模組采用交叉排列方式?；贑OMSOL對(duì)本文研究所需電池模組的幾何模型三維實(shí)體建模如圖1、圖2所示。

圖1 電池組串行通風(fēng)散熱幾何模型

圖2 電池組并行通風(fēng)散熱幾何模型

1.3 網(wǎng)格模型建立

在建立完電池模組幾何模型后，本文基于COMSOL軟件自帶的網(wǎng)格分析對(duì)模組進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在網(wǎng)格設(shè)置中采用用戶設(shè)置網(wǎng)格類(lèi)型。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)網(wǎng)格準(zhǔn)確度進(jìn)行的一定的簡(jiǎn)化，適當(dāng)?shù)臏p低網(wǎng)格的精細(xì)度，以提高計(jì)算的收斂度，降低計(jì)算時(shí)間。本文研究所需幾何模型網(wǎng)格劃分完成后總網(wǎng)格數(shù)分別為144 804、164 324，劃分結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 電池組串行通風(fēng)散熱幾何模型網(wǎng)格劃分

圖4 電池組并行通風(fēng)散熱幾何模型網(wǎng)格劃分

由于電池組內(nèi)各個(gè)單體電池排布位置的不同，溫升情況也有差別，對(duì)電池組的使用壽命造成不同影響，因此，對(duì)比電池組中電池不同位置的表面溫度，對(duì)電池組中部分電池頂部進(jìn)行取點(diǎn)研究對(duì)比，其中點(diǎn)—點(diǎn)在電池模組幾何模型的俯視圖位置如圖5所示。

圖5 電池模組幾何模型俯視圖

1.4 初始條件及邊界條件設(shè)置

初始條件：電池組的熱源通過(guò)非局部耦合積分變量設(shè)為產(chǎn)生的熱量的平均值。電池組及入口邊界指定初始溫度為298.15 K（25 ℃）；出口處設(shè)置為流出條件，其他外部邊界為隔熱。

邊界條件：入口邊界設(shè)置入口流速為0.1 m/s；出口邊界設(shè)置為 1個(gè)大氣壓的壓力；對(duì)稱(chēng)平面上設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件；電池壁面設(shè)置為“無(wú)滑移”條件。

本文分三步求解溫度隨時(shí)間變化的問(wèn)題，第一步求解處于298.15 K（25 ℃）時(shí)的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。第二步求解=0 時(shí)電池模型中的電位。第三步對(duì)整個(gè)溫度隨時(shí)間變化問(wèn)題進(jìn)行瞬態(tài)研究，并利用方波函數(shù)設(shè)置不同放電倍率下的充放電電流，循環(huán)時(shí)間為600 s，隨后是1 500 s后的松弛期。

2 結(jié)果與分析

在完成上述建模后，開(kāi)始對(duì)電池組溫度場(chǎng)特性進(jìn)行求解。由于電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中電池狀態(tài)復(fù)雜性較高，為結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行工況，將電池工作狀態(tài)劃分為1C－4C四個(gè)擋位，對(duì)電池組不同放電倍率下的散熱系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真。

利用COMSOL Multiphysics軟件仿真計(jì)算電池組在同一放電倍率下采用不同送風(fēng)通道時(shí)，分別在空氣自然冷卻和強(qiáng)制冷卻作用下電池組的溫度場(chǎng)特性。對(duì)于自然冷卻時(shí)取5 W/(m·K)，強(qiáng)制冷卻時(shí)取 25 W/(m·K)。

本文將電池理想最高溫度設(shè)為小于 40 ℃（313.15 K），溫差小于5 ℃。

2.1 空氣自然冷卻時(shí)不同送風(fēng)通道下電池組的溫度分布

本文首先研究采用空氣自然冷卻時(shí)電池組在不同放電倍率下，工作循環(huán)1 500 s后，處于串行通道和并行通道兩種結(jié)構(gòu)下電池組的溫度分布。

圖6、圖7分別為不同通道結(jié)構(gòu)、放電倍率下，在1 500 s時(shí)電池組表面溫度分布云圖和電池組表面溫度隨時(shí)間變化的最高溫度曲線，在不同結(jié)構(gòu)和放電倍率下溫度趨于一致，從入風(fēng)口（左）至出風(fēng)口（右），溫度逐漸升高。進(jìn)行空氣自然冷卻在同樣的初始條件下，電池組以同一放電倍率恒流放電時(shí)，在不同送風(fēng)通道下溫度分布各不相同。處于串行通道下的電池組其最高溫度相較于并行通道的更低，可見(jiàn)其散熱性能相對(duì)更好。隨著電池放電倍率逐步增大，處于不同送風(fēng)通道的電池組整體溫度也逐漸升高，且在放電倍率大于3C后，其最高溫度已超出我們所預(yù)設(shè)的最高溫度40 ℃（313.15 K），而電池溫度過(guò)高可能導(dǎo)致電池發(fā)生熱失控引發(fā)電池燃燒，帶來(lái)安全隱患。

圖6 自然冷卻時(shí)不同送風(fēng)通道結(jié)構(gòu)下電池組表面溫度分布云圖

圖7 最高溫度隨時(shí)間變化曲線圖

圖8為點(diǎn)－在不同放電倍率下工作到達(dá)1 500 s時(shí)的最高溫度，隨著電池放電倍率的增加，參考點(diǎn)的溫度逐漸升高，點(diǎn)－之間的溫差增大，溫度一致性逐漸變差，且在較大放電倍率下其最大溫差超過(guò)了5 ℃。處于串聯(lián)通道下所取點(diǎn)的溫差大于處于并行通道下的，可見(jiàn)串行通道下的電池模組其一致性不如并行通道的。為使電池組在更舒適的環(huán)境下工作，有必要對(duì)電池組的散熱做更進(jìn)一步的研究。

圖8 不同放電倍率下點(diǎn)A－F溫度圖

2.2 強(qiáng)制冷卻下電池組溫度分布

經(jīng)上述仿真分析后，為使電池組在更舒適的環(huán)境下工作，故本研究對(duì)處于并行通道結(jié)構(gòu)的電池組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻散熱仿真。

首先設(shè)入口速度=1 m/s，傳熱系數(shù)= 25 W/(m·K)。在不同放電倍率下電池組在1 500 s后達(dá)到溫度平衡時(shí)的電池組表面溫度分布云圖及其最高溫度隨時(shí)間變化曲線，分別如圖9、圖10所示。

圖9 并行通道下不同放電倍率工作時(shí)電池組表面溫度分布云圖

圖10 最高溫度隨時(shí)間變化曲線圖

從結(jié)果可以看出，對(duì)比圖 7自然冷卻下處于并行通道的電池組的最高溫度，在處于相同放電倍率時(shí)電池組溫度都有所降低，可見(jiàn)電池組的散熱性能得到了一定的提升。但在4C電池放電倍率下電池組的最高溫度仍高于本研究所設(shè)置的最高溫度40 ℃（313.15 K），且當(dāng)放電倍率大于2C時(shí)，電池組溫差超過(guò)了5 ℃。

故為進(jìn)一步的提高電池組的散熱性能，通過(guò)增大傳熱系數(shù)，分別取=30 W/(m·K)、35 W/(m·K)、40 W/(m·K)、45 W/(m·K)。探究傳熱系數(shù)對(duì)電池組溫度場(chǎng)的影響，并在4C放電倍率下，仿真計(jì)算電池組溫度能否控制到理想范圍內(nèi)。仿真結(jié)果如圖11、表1所示。

圖11 強(qiáng)制冷卻下不同對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)電池組的溫度分布

表1 強(qiáng)制冷卻下不同對(duì)流傳熱系數(shù)時(shí)電池組的最高溫度及溫差

由圖11、表1可知，將電池表面對(duì)流傳熱系數(shù)，從30 W/m2·K升高到45 W/m2·K時(shí)，隨著對(duì)流傳熱系數(shù)的逐漸增大，電池組溫度及溫差均逐漸降低。但電池組溫度及溫差并未有過(guò)多的變化，電池組最高溫度僅下降了0.163 K，溫差僅下降了0.14 K?？梢?jiàn)通過(guò)增加對(duì)流傳熱系數(shù)并不能使電池組處于舒適的環(huán)境里工作，反而隨著對(duì)流傳熱系數(shù)的增大，風(fēng)機(jī)的速率也會(huì)跟著增大，相應(yīng)地會(huì)消耗電池更多的電量。

2.3 不同入口風(fēng)速對(duì)電池組溫度的影響

由上述仿真結(jié)果分析可知，電池組采用強(qiáng)制冷卻和增大對(duì)流傳熱系數(shù)的方法來(lái)改善電池組散熱性能時(shí)，對(duì)處于較高放電倍率下工作的電池組并不能起到較好的散熱效果，其電池組最高溫度及溫差均超出理想的溫度范圍。因此，嘗試改變?nèi)肟陲L(fēng)速來(lái)進(jìn)一步提高電池組散熱性能。

下文研究取入口風(fēng)速分別為3 m/s、5 m/s、8 m/s、10 m/s，對(duì)流傳熱系數(shù)取 25 W/（m·K），電池組在4C放電倍率下工作1 500 s時(shí)電池組的仿真結(jié)果如圖12、表2所示。

圖12 強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時(shí)電池組表面溫度分布云圖

表2 強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時(shí)電池組的最高溫度及溫差

圖12、表2為強(qiáng)制冷卻下不同入口風(fēng)速時(shí)電池組的最高溫度和溫差，在強(qiáng)制冷卻下隨著入口風(fēng)速的增大，電池組的最高溫度及溫差得到了明顯的降低。在入口風(fēng)速=3 m/s時(shí)，電池組最高溫度為37.049 ℃，達(dá)到了本文研究的理想溫度范圍內(nèi)，而在入口風(fēng)速到達(dá)10 m/s時(shí)，電池組溫差達(dá)到了本文研究的理想溫差范圍內(nèi)。

圖13、14分別為不同入口風(fēng)速下，點(diǎn)－的溫度圖和電池組的平均溫度曲線圖。隨著入口風(fēng)速的提高點(diǎn)－的溫度一致性逐漸變好，各取點(diǎn)間的溫差變小，電池模組整體的平均溫度也在逐漸降低，可知隨著入口風(fēng)速的增大電池組的散熱性能得到了提高。而在4C放電倍率下以=10 m/s的風(fēng)速?gòu)?qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，能夠使電池組達(dá)到最佳理想的散熱效果，將溫度及溫差控制在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。

圖13 不同入口風(fēng)速下點(diǎn)A-F的溫度圖

圖14 不同入口風(fēng)速下電池組的平均溫度曲線圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于COMSOL Multiphysics軟件，仿真分析電池組在不同條件、不同放電倍率下的電池組表面溫度分布，根據(jù)仿真結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）電池組處于不同結(jié)構(gòu)和放電倍率下電池表面溫度趨于一致，從入風(fēng)口至出風(fēng)口，溫度逐漸升高汽車(chē)。動(dòng)力電池組在低放電倍率（≤2）下工作時(shí)，采用自然冷卻對(duì)電池組進(jìn)行散熱能滿足基本的散熱要求，且在串行通道內(nèi)進(jìn)行自然冷卻優(yōu)于在并行通道內(nèi)進(jìn)行。在考慮汽車(chē)動(dòng)力電池組運(yùn)行于低放電倍率時(shí)，可以對(duì)處于串行通道結(jié)構(gòu)下的自然冷卻做一定的研究和結(jié)合，以此降低電池的能量消耗，提高電池的有效利用率。

（2）增大電池表面對(duì)流傳熱系數(shù)對(duì)降低電池組溫度的影響較小。不能使電池組處于舒適和工作環(huán)境內(nèi)，且會(huì)給電池帶來(lái)更多的電能消耗，降低電池的有效利用率。

（3）強(qiáng)制冷卻下增大入口風(fēng)速能夠有效地提高電池組的散熱性能，可以使電池組的溫度及溫差降低到理想的溫度范圍內(nèi)。但較高的風(fēng)速會(huì)給電池帶來(lái)額外的電量消耗且風(fēng)扇會(huì)產(chǎn)生較大的噪音。