基于CFD熱分析的動(dòng)力電池包基礎(chǔ)模組優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：以某型電動(dòng)汽車在綜合工況條件下續(xù)航里程需求為目標(biāo)，基于18650單體鋰離子電池設(shè)計(jì)一組34串36并的動(dòng)力電池包。為實(shí)現(xiàn)對(duì)整體動(dòng)力電池包熱管理優(yōu)化，對(duì)其中一個(gè)基礎(chǔ)并聯(lián)模組進(jìn)行熱管理分析，散熱方式采用強(qiáng)制風(fēng)冷并行通風(fēng)；對(duì)18650單體電池進(jìn)行內(nèi)阻和發(fā)熱實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證基礎(chǔ)熱源數(shù)據(jù)的精確性。以Z型電池模組強(qiáng)制散熱系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)基礎(chǔ)電池模組構(gòu)型進(jìn)行熱仿真分析。依次改變匯流腔傾角和分流板高度，發(fā)現(xiàn)當(dāng)匯流腔腔角為7°、分流板高度為9mm時(shí)散熱效果最佳，此時(shí)并聯(lián)模組的最高溫度及最大溫差可滿足設(shè)計(jì)要求。這為動(dòng)力電池包整體熱管理系統(tǒng)完成了其基礎(chǔ)模組的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CFD仿真；熱管理系統(tǒng)；鋰離子電池模組；強(qiáng)制風(fēng)冷

中圖分類號(hào)：TG156；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1671-5276（2024）06-0168-06

Abstract：Designs a 34-string 36-parallel power pack based on 18650 single-cell lithium-ion batteries with a certain type of electric vehicle under certain comprehensive working conditions as the target range requirement. In order to optimize the overall power pack thermal management， one of the basic parallel modules is analyzed for thermal management， and forced air cooling parallel ventilation is used for heat dissipation. Internal resistance and heat generation experiments are conducted on the 18650 single cell battery to verify the accuracy of the basic heat source data. Based on the forced heat dissipation system of Z-type battery pack， the thermal simulation analysis of the basic battery pack configuration is conducted. It is found that the inclination angle of the sink cavity and the height of the manifold are changed in turn， and that the best heat dissipation effect is achieved when the angle of the sink cavity is 7° and the height of the manifold is 9 mm， at which time the maximum temperature and the maximum temperature difference of the parallel module can meet the design requirements， thus completing the optimized design of the basic module for an overall thermal management system for the power pack.

Keywords：CFD simulation；thermal management system；lithium-ion battery pack；forced air cooling

0引言

中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)在政策和市場(chǎng)的雙重推動(dòng)下，呈現(xiàn)迅猛發(fā)展之勢(shì)［1］。動(dòng)力電池是新能源汽車中關(guān)鍵的部件之一，其制造成本約占整車成本的40%，重要性不言而喻。然而電動(dòng)汽車因不合理的電池包散熱設(shè)計(jì)而時(shí)有著火現(xiàn)象發(fā)生。因此，改善動(dòng)力電池包的熱管理系統(tǒng)使其在適宜溫度范圍內(nèi)運(yùn)行、減少車輛自燃等風(fēng)險(xiǎn)是確保電動(dòng)汽車在穩(wěn)定的續(xù)航里程基礎(chǔ)上安全運(yùn)行的重要保障［2］。

風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于維護(hù)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電池包熱管理系統(tǒng)中［3］。這種系統(tǒng)是使用空氣作為冷卻介質(zhì)。該系統(tǒng)分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流兩種方式。自然對(duì)流通過利用溫度差引起空氣流動(dòng)來帶走電池產(chǎn)生的熱量，但散熱速度較慢；強(qiáng)制對(duì)流可以加快空氣流動(dòng)速度，提高散熱效果，通常通過車速導(dǎo)風(fēng)或使用風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)。

MUSTAFA［4］使用3個(gè)電池組評(píng)估了電池組之間距離和入口尺寸對(duì)電池組溫度、通道內(nèi)壓降和傳熱系數(shù)的影響。該研究表明，電池組之間的距離和入口尺寸對(duì)電池溫度、通道內(nèi)壓降和傳熱系數(shù)等參數(shù)有顯著影響。增加電池之間的距離可導(dǎo)致通道內(nèi)壓降增加，而增加入口尺寸則有助于降低溫度。IBRAHIM等［5］研究了4種不同的空氣速度下，45個(gè)圓柱形鋰離子電池單元排列成菱形，電池組中的壓降隨著空氣速度的增加而增加，當(dāng)出入口直徑增加時(shí)，電池組最高溫度和平均溫度都增加，出口空氣溫度隨著空氣速度的增加而減少。ZHANG等［6］分析二次出口尺寸參數(shù)和擋板對(duì)于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能的影響，發(fā)現(xiàn)二次出風(fēng)口數(shù)量為6時(shí)散熱效果最佳，增加擋板可以進(jìn)一步改善風(fēng)量分布，提高冷卻性能。與初始型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)相比，最優(yōu)模型的最高溫度降低了4.95%，最大溫差降低了91.89%。ZHANG等［7］在Z型和U型流動(dòng)的風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過改變出口位置設(shè)計(jì)了幾種不同流型的熱管理系統(tǒng)，并使用數(shù)值模擬評(píng)估了它們的性能。研究結(jié)果表明，空氣冷卻熱管理系統(tǒng)的流型對(duì)其冷卻性能有顯著影響。當(dāng)出口位于電池模塊的頂部并且出口的中心平面更靠近入口時(shí)，熱管理系統(tǒng)具有更好的冷卻性能。在該系統(tǒng)中，當(dāng)入口風(fēng)速達(dá)到5m/s時(shí)，與Z型熱管理系統(tǒng)流動(dòng)模式相比，平均溫度和最高溫度降低了約3℃，同時(shí)大大提高了電池組的溫度均勻性；與U型流型相比，平均溫度和最高溫度分別降低了約0.8℃和2.4℃。此外，隨著入口風(fēng)速的增加，熱管理系統(tǒng)的流型對(duì)其冷卻性能也會(huì)受到影響。

本文為滿足某型電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)34串36并的電池包。設(shè)計(jì)過程分為兩步：先實(shí)現(xiàn)一個(gè)由36個(gè)單體鋰離子電池并聯(lián)的基礎(chǔ)模組熱管理優(yōu)化設(shè)計(jì)，再集成基礎(chǔ)模組設(shè)計(jì)形成整體動(dòng)力電池包。限于篇幅，本文主要討論基礎(chǔ)模組的熱管理仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用強(qiáng)制風(fēng)冷并行通風(fēng)方式，進(jìn)行了單體鋰離子電池的電阻實(shí)驗(yàn)和溫升實(shí)驗(yàn)，以保證鋰離子電池?zé)岱抡婊A(chǔ)數(shù)據(jù)的精確性。對(duì)基礎(chǔ)模組的初步設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真分析，發(fā)現(xiàn)它不能滿足設(shè)計(jì)要求。為此改變基礎(chǔ)模組箱匯流腔傾角度數(shù)和添加分流板進(jìn)行仿真，對(duì)比最高溫度和最大溫差，獲得可行的基礎(chǔ)模組箱方案，完成電池包的基礎(chǔ)模組的熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1電池包設(shè)計(jì)方案確定

1.1電池包參數(shù)的確定

本文針對(duì)某綜合工況條件下續(xù)航里程達(dá)到 250km的純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池包進(jìn)行設(shè)計(jì)，該電池包參數(shù)要求如表1所示，所選鋰離子電池單體參數(shù)如表2所示。

選用的18650鋰離子電池標(biāo)稱電壓3.7V，為滿足動(dòng)力電池120V標(biāo)稱電壓的要求可通過串聯(lián)電池單體實(shí)現(xiàn)，用串聯(lián)單體數(shù)量a保證動(dòng)力電池包總能量7.54kWh的要求，可以用電池單體并聯(lián)數(shù)量b保證，計(jì)算公式如下：

式中：U為動(dòng)力電池標(biāo)稱電壓；U0為電池單體標(biāo)稱電壓；W為電機(jī)額定功率；η為電池有效容量系數(shù)，取0.8；cz為系統(tǒng)總?cè)萘浚籧0為電池標(biāo)稱容量。

按需求選取電池單體串聯(lián)數(shù)量為34，并聯(lián)數(shù)量為36，選擇先并聯(lián)后串聯(lián)的成組模式。這種組合方式BMS監(jiān)控簡(jiǎn)單，成本低［8］。

1.2電池包冷卻方式選擇

考慮到風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而強(qiáng)制風(fēng)冷散熱效果優(yōu)于自然對(duì)流冷卻，故采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式，按照風(fēng)道排列方法。強(qiáng)制風(fēng)冷又被分成串行通風(fēng)和并行通風(fēng)，如圖1所示。

串行通風(fēng)空間利用率高，但是散熱不佳，并行通風(fēng)的氣流同時(shí)經(jīng)過電池間的并行氣道，使空氣能較均勻的帶走熱量，使電池模組溫度分布均勻。為了保證電池模組能有良好的散熱，本文采用強(qiáng)制風(fēng)冷并行通風(fēng)散熱系統(tǒng)。

1.3電池包總體方案設(shè)計(jì)

由上文可知，本文需要集成的單體電池?cái)?shù)量為1 224個(gè)，電池的基礎(chǔ)模組數(shù)量為34個(gè)，并聯(lián)了36個(gè)18650單體電池為一個(gè)基礎(chǔ)模組，在整體動(dòng)力電池箱里再串聯(lián)排列34個(gè)并聯(lián)的基礎(chǔ)模組?；A(chǔ)模組都有自己的安裝箱盒，因此需要先對(duì)基礎(chǔ)模組進(jìn)行熱管理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以建立整體動(dòng)力電池包熱管理分析的基礎(chǔ)。整個(gè)設(shè)計(jì)思路是：先選取基礎(chǔ)模組進(jìn)行建模與熱仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，使它的熱管理系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，然后集成基礎(chǔ)模組組成完整的動(dòng)力電池包，完成整體動(dòng)力電池包的散熱設(shè)計(jì)。

針對(duì)基礎(chǔ)模組，設(shè)計(jì)一種36并聯(lián)電池模組箱，電池之間的間距為2mm，模組箱模型如圖2所示。

對(duì)整體動(dòng)力電池包，將基礎(chǔ)模組箱錯(cuò)位相排，錯(cuò)位相排的基礎(chǔ)模組與相鄰的基礎(chǔ)模組之間各風(fēng)口之間距離約66mm，如圖3所示。考慮到送風(fēng)成本，將電池包進(jìn)、出風(fēng)口設(shè)置在同一平面內(nèi)，而且可以保證電池包風(fēng)冷系統(tǒng)的密閉性，可以將后排基礎(chǔ)模組進(jìn)出風(fēng)口尺寸加66mm，使所有進(jìn)出風(fēng)口都在同一平面，最終電池模組排列如圖4所示。對(duì)整體動(dòng)力電池包進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，電池包厚為2mm，模型如圖5所示。電池包尺寸為：長(zhǎng)1 990mm，寬234mm，高224mm。

本文主要對(duì)一組并聯(lián)模組組成的電池基礎(chǔ)模組進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要任務(wù)是使電池溫度保持在10℃～40℃的適宜工作范圍，特別是要控制或者防止局部過熱，使最大溫差低于5℃。本文使用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱、并行通風(fēng)散熱方法，以Z型風(fēng)冷散熱模組為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2電池單體的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1電池內(nèi)阻特性實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要研究單體鋰離子電池內(nèi)阻與電池荷電狀態(tài)的關(guān)系，18650單體鋰離子電池參數(shù)如表2所示。電池分別以2A、3A、4A和5A的電流進(jìn)行恒流放電，之后進(jìn)行脈沖放電，測(cè)量獲取所需數(shù)據(jù)，整理得內(nèi)阻特性，如圖6所示。

由圖6可知：1）實(shí)驗(yàn)所得單體鋰離子電池內(nèi)阻隨放電電流的增大而變大；2）單體鋰離子電池的荷電狀態(tài)數(shù)值處在0.3～1.0之間時(shí)，其內(nèi)阻值發(fā)生的變化不是很大，但是在單體鋰離子電池荷電狀態(tài)值處在0～0.3之間時(shí)，電池放電內(nèi)阻變化劇烈，向上變大的趨勢(shì)非常明顯，在電池進(jìn)行5A恒流放電、電池的荷電狀態(tài)值約為0.1時(shí)，電池的放電總內(nèi)阻幾乎都已經(jīng)超過90mΩ。

2.2鋰離子單體參數(shù)獲取

本文使用的鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)如表3所示。

在計(jì)算電池工作時(shí)的生熱速率時(shí)， 選取了BEMARDI等所研究的模型，計(jì)算得電池的產(chǎn)熱速率如表4所示。

2.3電池單體熱仿真與溫升實(shí)驗(yàn)

測(cè)量18650電池實(shí)物模型，使用UG進(jìn)行三維建模，使用mesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入fluent，設(shè)置溫度為25℃，換熱系數(shù)為5W·m－2·K－1，電池單體為熱源，進(jìn)行仿真，得到電池單體在不同放電倍率下放電結(jié)束后電池的溫度情況。單體鋰離子電池CFD仿真結(jié)果如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)在高低溫度箱中進(jìn)行，設(shè)置溫度與仿真溫度相同，電池單體分別以1.0C、1.5C、2.0C、2.5C進(jìn)行放電，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，記錄4種放電倍率下電池單體的溫度數(shù)據(jù)，將4種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)擬合，數(shù)據(jù)擬合如圖8所示。

從圖8中可以看出，電池溫升隨著放電倍率的增大而加快，電池放電倍率為2.5C時(shí)溫升最快，最終超過70℃。仿真曲線和實(shí)測(cè)曲線較接近，說明產(chǎn)熱數(shù)據(jù)可靠性較高，模型精度滿足工程要求，這對(duì)利用電池模型進(jìn)行熱力學(xué)仿真提供了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3電池模組熱仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1電池模組熱仿真分析

對(duì)前述電池模組箱進(jìn)行CFD熱仿真。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，導(dǎo)入fluent中設(shè)置電池參數(shù)（表3），設(shè)置電池單體為熱源，放電倍率為1.0C，進(jìn)風(fēng)口速度為5m/s，進(jìn)風(fēng)溫度為25℃，出風(fēng)口壓力為0Pa，回流溫度為25℃，電池模組與空氣組成流固耦合邊界，進(jìn)行計(jì)算仿真，最后導(dǎo)入CFD-POST中進(jìn)行后處理，仿真結(jié)果的電池模組溫度場(chǎng)云圖和y-z平面速度場(chǎng)云圖如圖9所示。觀察可知，最高溫度為32.38℃，最大溫差為5.64℃，不能滿足熱管理系統(tǒng)的要求，因此需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2改變匯流腔室傾度

對(duì)基礎(chǔ)模組箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在保持出風(fēng)口不變，改變匯流腔角度，使其與水平方向形成一個(gè)夾角α，如圖10所示?？紤]到電池模組箱不能與電池模組接觸，α最大不能超過7.3°。因此，設(shè)計(jì)7個(gè)度數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別是1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°，包括原始模型在內(nèi)的8種電池組模型放電，結(jié)束時(shí)的最高溫度Tmax和最大溫差ΔTmax的仿真結(jié)果，如圖11所示。當(dāng)匯流腔傾角為7°時(shí)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖如圖12所示。

當(dāng)傾角增大時(shí)，出風(fēng)口的風(fēng)速逐漸增大，主要原因是電池基礎(chǔ)模組箱整體結(jié)構(gòu)和仿真時(shí)的邊界條件不變，但是由于傾角變大，使得基礎(chǔ)模組箱內(nèi)部體積減小，且空氣進(jìn)入的速度不變，導(dǎo)致出口速度加快，從而加快了電池組的散熱。因此，當(dāng)傾角變大時(shí)，電池最大溫度減低，最低溫度幾乎不變，保持在26.6℃，而最大溫度由32.38℃降低到31.41℃。因此，選擇匯流腔傾角為7°時(shí)的基礎(chǔ)模組箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3添加分流板并改變其高度

觀察上述電池組溫度場(chǎng)云圖，發(fā)現(xiàn)溫度集中在兩個(gè)電池上，這兩個(gè)電池對(duì)稱分布在電池模組的中間部分，可見此區(qū)域的散熱較差。于是，在電池模組箱模型添加分流板，使氣流在流動(dòng)過程中能經(jīng)過此區(qū)域，分流板布置在最高溫度兩個(gè)電池后方，距離進(jìn)風(fēng)口114mm，分流板頂部距離電池底部1mm。設(shè)分流板底部距離基礎(chǔ)模組箱底部為H，分流板位置如圖13分流板位置簡(jiǎn)易圖所示。設(shè)H分別為0mm、3mm、6mm、9mm、12mm、15mm和18mm，進(jìn)行仿真。

對(duì)不同匯流板高度的基礎(chǔ)組模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，包括原始模型在內(nèi)的8種電池組模型放電結(jié)束時(shí)的Tmax和ΔTmax，如圖14所示。分流板為0mm、9mm和18mm的溫度場(chǎng)云圖和y-z平面速度場(chǎng)云圖如圖15所示。

由圖14可知，當(dāng)分流板高度為0mm時(shí)，最大溫度和最大溫差都是最大；當(dāng)分流板高度為3～9mm時(shí)最大溫度和最大溫差逐漸降低；當(dāng)分流板高度為9～18mm時(shí)，最大溫度和最高溫差逐漸變大；當(dāng)為18mm時(shí)，最大溫度與最大溫差與無分流板時(shí)幾乎一樣。

觀察圖15可知，此時(shí)分流板底部與基礎(chǔ)模組箱底部接觸，空氣從進(jìn)風(fēng)口快速進(jìn)入，到達(dá)分流板后，直接從分流板前方向上流動(dòng)，大部分空氣經(jīng)過分流板前方電池模組，到達(dá)匯流腔，最后從出風(fēng)口離開基礎(chǔ)模組箱，只有很少部分空氣會(huì)到分流板后方的電池模組。這導(dǎo)致后方的電池模組散熱不良，分流板前的電池模組溫度遠(yuǎn)低于分流板后的電池模組。這一現(xiàn)象表明在此位置加分流板可以使分流板前方電池散熱效果更好，即使上一節(jié)高溫區(qū)域散熱更好；當(dāng)分流板高度逐漸增加時(shí)，位于分流板后方的電池溫度逐漸變低，此時(shí)進(jìn)風(fēng)口的空氣進(jìn)入時(shí)氣流會(huì)有兩個(gè)主通道離開分流腔，一部分到達(dá)分流板之后沿分流板向上經(jīng)過電池模組，到達(dá)匯流腔后，從出風(fēng)口離開箱體，達(dá)到散熱的目的；另一部分沒有被分流板阻擋，氣流能夠到達(dá)分流板后方，之后流到基礎(chǔ)模組箱后端，沿箱體壁面和電池模組向匯流腔流動(dòng)，最后從出風(fēng)口離開基礎(chǔ)模組，達(dá)到散熱的目的。當(dāng)分流板高度為9mm時(shí)，電池模組的最高溫度為30.37℃，最大溫差為3.56℃，與上一節(jié)最佳方案相比，最大溫度下降了3.3％，最大溫差下降了24.7％?？梢娡ㄟ^分流板改變空氣流動(dòng)而改善基礎(chǔ)模組散熱效果是有效的。當(dāng)分流板高度逐漸增加到12mm時(shí)，基礎(chǔ)模組的最高溫度和最大溫差相比較9mm高分流板的時(shí)候逐漸變大。觀察云圖可知，當(dāng)分流板高度達(dá)到12mm時(shí)，匯流腔內(nèi)被分流板分流的空氣比9mm時(shí)少，使得分流板前方電池模組散熱效果下降；當(dāng)分流板高度為15mm和18mm時(shí)，分流腔中已經(jīng)沒有分流板了，所以散熱效果逐漸接近無分流板狀態(tài)。由此可見，當(dāng)分流板高度為9mm時(shí)散熱效果最佳，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

在第一節(jié)中，有一部分基礎(chǔ)模組箱需要加長(zhǎng)進(jìn)出風(fēng)口，使用優(yōu)化后的模型進(jìn)行加長(zhǎng)，其仿真結(jié)果如圖16所示，最高溫度30.55℃，最大溫度差3.82℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上所述，基礎(chǔ)模組的熱性能滿足要求，這為整個(gè)動(dòng)力電池包的熱管理設(shè)計(jì)打下了必要的基礎(chǔ)。

4結(jié)語

1）選取某型電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，為滿足其續(xù)航要求，基于18650單體鋰離子電池設(shè)計(jì)了34串36并的電池包，使用強(qiáng)制風(fēng)冷并行通風(fēng)的散熱方式。

2）對(duì)單體鋰離子電池進(jìn)行內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)放電電流增大時(shí)，電池單體內(nèi)阻增大；對(duì)單體鋰離子進(jìn)行仿真模擬溫升與溫升實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電池放電倍率越大，溫升越快，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果接近，模型精度滿足工程要求。

3）對(duì)基礎(chǔ)模組進(jìn)行匯流腔傾角優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)匯流腔傾角為7°時(shí)，模型散熱效果最好；添加分流板并改變其高度，當(dāng)分流板高度為9mm時(shí)散熱效果最好，滿足設(shè)計(jì)要求，即電池包熱管理系統(tǒng)滿足要求。

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收稿日期：20230504

第一作者簡(jiǎn)介：馬之輝（1999—），男，江蘇鹽城人，本科，研究方向?yàn)樾履茉雌嚕琺azhihuimy@163.com。

DOI：10.19344/j.cnki.issn1671-5276.2024.06.034