安益路 葉伊蘇 王偉民

摘要：電動(dòng)汽車在工作過(guò)程中，電池充放電產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致電池包內(nèi)溫度升高，溫度過(guò)高會(huì)損害電池的電性能、使用壽命，甚至發(fā)生燃燒爆炸。在電池包開發(fā)過(guò)程中，有必要對(duì)電池包內(nèi)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)合電池包充放電試驗(yàn)，確保電池在使用過(guò)程中安全。本文建立了電池包CFD熱仿真分析方法，在同一工況下，開展仿真和實(shí)驗(yàn)工作，把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，說(shuō)明仿真方法正確，可以為電動(dòng)汽車電池包的設(shè)計(jì)開發(fā)提供意見(jiàn)和建議。

關(guān)鍵詞：CFD;電池包;熱仿真

隨著油耗和排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)苛以及國(guó)家政策對(duì)新能源汽車發(fā)展的大力支持，越來(lái)越多的企業(yè)必將發(fā)展重心由傳統(tǒng)燃油汽車轉(zhuǎn)移到新能源汽車領(lǐng)域來(lái)。電池包作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力之源，在電動(dòng)汽車開發(fā)中占領(lǐng)非常重要的地位。電動(dòng)汽車在行駛和充電過(guò)程中，電池包中電池的生熱會(huì)引起電池包內(nèi)溫度上升。電池產(chǎn)熱過(guò)程是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，國(guó)內(nèi)外已對(duì)其進(jìn)行了大量的研究和探索，本文運(yùn)用電池生熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算電池的發(fā)熱功率，并借助CFD軟件對(duì)某電動(dòng)汽車的電池包進(jìn)行熱仿真分析，把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合，驗(yàn)證了仿真方法的正確性。

1 電池包結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

電池包作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力之源，是電動(dòng)汽車的核心組成部分。電池包、電池模組、電池單體之間的關(guān)系：一個(gè)電池包里有多個(gè)電池模組，一個(gè)電池模組由多個(gè)電池單體組成。電池包中還包括BMS、防爆閥、線束、支架等關(guān)鍵零部件，水冷電池包中還有水冷系統(tǒng)。

1.1電池包

為純電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車提供動(dòng)力源的裝置稱作電池包，圖1是某電動(dòng)汽車的電池包結(jié)構(gòu)圖，電池包內(nèi)有電池模組、電池控制系統(tǒng)、線束等。水冷裝置作為水冷電池包中的重要組成部分，當(dāng)電池包溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，分別為電池散熱和加熱，保證電池包內(nèi)溫度處于正常工作溫度區(qū)間。

1.2電池模組

電池模組是電池包的重要組成部分，模組的支架是一個(gè)用絕緣材料和導(dǎo)熱材料組成的盒子，將多個(gè)電池單體通過(guò)串并聯(lián)的方式有序的排列在盒子內(nèi)部，電池單體之間通過(guò)導(dǎo)熱板間隔開。圖2a是某電池包的模組CAD圖。模組的核心部件是電池單體，電池單體之間有導(dǎo)熱板，兩端依次有絕緣板、減震板、端板，兩側(cè)依次有絕緣板.側(cè)端板。圖2b是某電池模組的結(jié)構(gòu)分解圖。

1.3電池單體

目前，鋰離子動(dòng)力電池單體有圓柱形和方形兩種結(jié)構(gòu)，本次研究的鋰離子電池為方形結(jié)構(gòu)，如圖3所示。內(nèi)部結(jié)構(gòu)由正極材料、隔膜、負(fù)極材料、電解質(zhì)等幾部分組成，將電芯材料按電池的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理堆疊成方形電池^[1]。

2電動(dòng)汽車鋰離子電池?zé)崽匦苑治?/p>

2.1電池的生熱機(jī)理

工程中很難準(zhǔn)確獲取電池單體生熱速率q的表達(dá)式，目前，獲取q的表達(dá)式主要有理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)定。試驗(yàn)測(cè)定對(duì)試驗(yàn)條件有很高的要求，直接測(cè)定是很困難的。在估算電池的生熱速率時(shí)，常用加州大學(xué)伯克利分校D.Bernardi的電池生熱速率模型^[2]，本文也采用該生熱模型。生熱速率q的數(shù)學(xué)模型如式1所示：

式中：其中，Vb為電池的體積，I是電池充放電電流，E₀為電池的開路電壓，U₁是電池的路端電壓，T是熱力學(xué)溫度，（E₀-U₁））表示焦耳熱部分，用電池的內(nèi)阻與電流強(qiáng)度的乘積替換，T （dE₀）/dT表可逆反應(yīng)熱部分，是電化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)量，對(duì)于特定的電池，可認(rèn)為是常量，由于其值與焦耳熱部分相比很小，在仿真過(guò)程中可忽略不計(jì)。若電池的內(nèi)阻為R，則電池的發(fā)熱功率可以簡(jiǎn)化為式

2所示：

2.2電池包內(nèi)傳熱分析

電池與電池模組內(nèi)各個(gè)固體部件之間通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞熱最，各零部件與外部空氣之間的熱傳遞形式為向然對(duì)流換熱。當(dāng)電池溫度達(dá)到溫度限值，水冷系統(tǒng)開啟，冷卻液將電池包內(nèi)熱量帶走從而使電池溫度降至合適的溫度區(qū)間。

3 電池模組溫度場(chǎng)CFD分析

3.1仿真模型的建立

3 .1.1網(wǎng)格劃分

將電池包裝配圖的CAD模型導(dǎo)人仿真軟件STAR-CCM+中，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化（除去了線束、螺栓、托架等小部件，對(duì)零件問(wèn)的小縫隙進(jìn)行了簡(jiǎn)化，去除零部件的倒角），如圖5所示。各零部件間的傳熱界面通過(guò)Interface連接，將處理好的而網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。其中，電芯、端板和流體空間采用多面體網(wǎng)格，導(dǎo)熱版、絕緣板等薄壁件采用六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為2400萬(wàn)。

3.1.2模型設(shè)置

流體與固體之間屬于對(duì)流換熱，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)選用K-Epsilon湍流模型^[3]。流體與固體之間接觸面之問(wèn)設(shè)為流固耦合傳熱面，壁面設(shè)置為無(wú)滑移溫度壁面邊界條件?？紤]到靠近模組的空氣溫度較高，選擇理想氣體作為空氣，考慮空氣的浮力^[4]。

3.1.3材料屬性

電池模組各部件的材料屬性如下表1所示：

表1材料屬性

3.1.4邊界條件設(shè)置

在電池包臺(tái)架實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將電池包放置在恒溫箱里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖6a是電池模組的實(shí)驗(yàn)裝置圖，電池包實(shí)驗(yàn)與之相似，恒溫箱內(nèi)空氣的溫度恒定不變。實(shí)驗(yàn)前須將電池包靜置在恒溫箱中一段時(shí)間，使電池包初始溫度與恒溫箱里的空氣溫度相同。電池包邊界條件設(shè)定示意圖如圖6b所示。在本次研究過(guò)程中，恒溫箱里的溫度設(shè)置為溫度20℃，初始時(shí)刻電池包的溫度同為20℃。仿真工況與實(shí)驗(yàn)保持一致，初始溫度同為20℃。流體空間外表面設(shè)置為無(wú)滑移恒溫邊界條件，溫度設(shè)定為20℃。電池為體積熱源，材料導(dǎo)熱系數(shù)各向同性，放熱功率通過(guò)公式（2）計(jì)算得到。

電池包發(fā)熱工況：37 A放電（33% SOC-0%SOC） -靜置30 min-74 A充電1490 s（0% SOC-100% SOC） -靜置30 min-74 A放電1532 s（95%SOC-0% SOC），總時(shí)間7822 s。通過(guò)公式（2）計(jì)算得到上述工況下電池包的發(fā)熱功率圖7所示：

冷卻系統(tǒng)工況：冷卻液為成分為乙二醇和水的混合物，體積分?jǐn)?shù)各占50%，進(jìn)口流量10L/min，溫度27℃。

3.1.5求解器設(shè)置

本文選用SIMPLE算法求解耦合場(chǎng)，將不同區(qū)域中的傳熱過(guò)程合成一個(gè)整體的傳熱過(guò)程，整體離散，整體求解^[5]，對(duì)流體域和固體域采用同樣的數(shù)值離散規(guī)則進(jìn)行迭代計(jì)算。

3.2 仿真結(jié)果

工況結(jié)束時(shí)，電池包內(nèi)溫度云圖如圖7所示。電池模組溫度呈環(huán)狀分布，如A-A所示，從圖中可以看出，電池中心區(qū)域溫度較高，電池邊緣處溫度較低。由于冷卻液布置在電芯底部，電池底部的溫度比上表面的溫度低。

電池包內(nèi)高溫區(qū)如圖8a所示，于實(shí)驗(yàn)一致，找出了高溫區(qū)域出現(xiàn)的原因是由于水冷管布置不合理導(dǎo)致的，為設(shè)計(jì)人員提出了優(yōu)化建議。受空氣熱對(duì)流的影響，電池包內(nèi)流場(chǎng)分布如圖8b所示，紅色箭頭表空氣流動(dòng)方向。

為驗(yàn)證水冷系統(tǒng)在電池包熱管理中的冷卻效果，在同一工況下，進(jìn)行兩種仿真方案對(duì)比。方案一開啟水冷，電池包散熱形式為水冷散熱，溫升曲線如圖9中藍(lán)線所示;方案二不開啟水冷，電池包散熱形式為白然散熱，溫升曲線如圖9中紅線所示。

在電池溫度低于水溫時(shí)，水冷板中水對(duì)電池包有加熱作用，電池包溫升較快，加熱效果如圖中藍(lán)線以下紅線以上區(qū)域所示;當(dāng)電池溫度超過(guò)25℃時(shí)，水冷板中的水對(duì)電池有冷卻作用，電池包溫升較慢，圖中紅線以下藍(lán)線以上區(qū)域即為冷卻效果。

3.3 仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將仿真值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。從表中可以看出，電池包實(shí)驗(yàn)與仿真的最大溫度基本相同，實(shí)驗(yàn)值與仿真值之間的誤差不超過(guò)2℃。說(shuō)明通過(guò)電池包仿真分析可以預(yù)測(cè)電池模組在實(shí)際工作過(guò)程中的溫升情況，可以為電動(dòng)汽車電池包的設(shè)計(jì)開發(fā)提供技術(shù)支持。

由表2可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值之間有誤差，主要原因可歸納為如下幾點(diǎn)：

（1）仿真時(shí)對(duì)電池內(nèi)部材料進(jìn)行了假設(shè)，假設(shè)電池材料介質(zhì)均勻，密度一致，鋰離子電池的熱物性參數(shù)保持不變，電池的生熱速率不隨溫度的變化而變化。

（2）仿真時(shí)中電池的熱物性參數(shù)有偏差。

（3）電池包實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在誤差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)值有偏差。

4 總結(jié)

本文首先介紹了電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池包熱仿真分析的必要性，建立了水冷電池包CFD熱仿真分析模型。介紹了電池充放電的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，基于實(shí)驗(yàn)情況確定了傳熱模型的物性參數(shù)和邊界條件。通過(guò)仿真軟件對(duì)電池包進(jìn)行熱分析仿真計(jì)算，把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。電池上表面溫升仿真值與實(shí)驗(yàn)值基本一致，誤差控制在10%以內(nèi)。說(shuō)明該熱仿真方法可以預(yù)測(cè)電池包在實(shí)際工作過(guò)程中的溫升情況，為電動(dòng)汽車電池包的熱管理設(shè)計(jì)開發(fā)提供技術(shù)支持。

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