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(1.貴航股份永紅散熱器公司，貴州貴陽550000；2.貴州大學機械工程學院，貴州貴陽550000)

0 引言

汽車是現(xiàn)代文明的重要組成部分，它在推動社會發(fā)展的同時，也造成日益嚴重的能源危機與環(huán)境污染危害。嚴峻的能源與環(huán)境挑戰(zhàn)使交通能源轉(zhuǎn)型成為汽車行業(yè)面臨的主要任務，汽車動力系統(tǒng)電動化成必然之勢[1]。電池組是純電動汽車唯一的動力源，它的工作性能對電動車而言至關重要，而電池組的溫度對電池組的性能與壽命而言也是至關重要的。對電池組進行熱管理直接影響整車的性能。如果電池組溫度過高，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，導致電池組的循環(huán)使用壽命較少。溫度達到電池材料的燃點甚至會引起電池組起火；電池組在低溫狀態(tài)下工作時，電池組的使用壽命減少、充放電量降低、放電效率也會降低。電動車的電池組是串聯(lián)在一起的，任何一個單體溫度過高或過低都會影響到整個電池組，若電池組長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影響整個電池組的容量，所以必須對電池組進行熱管理。

簡單地改變通風方式不能使通風散熱效果達到最佳，近年來各國研究人員紛紛對電池組進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改善散熱效果。在風冷散方面，Anthony Jarrett等人研究了電動汽車高能量電池的散熱板結(jié)構(gòu)，研究采用風冷方式對電池組進行冷卻，并對冷卻通道的幾何形狀、長度和寬度進行優(yōu)化。使用CFD軟件進行模擬仿真，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進行散熱效果對比，結(jié)果表明上述的任何一個設計都能滿足流體壓降和平均溫升的要求。通過優(yōu)化結(jié)果比較，他們把散熱板的冷卻通道設計成蛇形通道[2]；Kelly等人基于本田Insight和豐田Prius兩款車進行動力電池組風冷系統(tǒng)實車試驗，實驗根據(jù)電池箱中電池的環(huán)境溫度分布狀況對風機工作模式進行實時選擇，實驗結(jié)果表明兩個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等人對電池組單體間間距和電池包空氣入口流速進行研究以優(yōu)化電池組最高溫度和溫度均勻性，并且通過對電池組進行單側(cè)散熱和雙側(cè)散熱實驗以對比在散熱效果和電池包緊密性方面的優(yōu)劣，最后進行數(shù)學分析得出較優(yōu)的散熱模型[4]；Xu X M和He R對電池組進行強制對流散熱并分析電池包冷空氣進出口位置和電池布置形式對電池散熱效果的影響，并且通過電池組散熱實驗和軟件模擬仿真分析對電池組的通風形式進行研究，即是研究空氣橫向、空氣縱向和U形管式通風對電池溫度場的影響[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)下散熱溫度場分析以及對電池組結(jié)構(gòu)進行優(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 鋰電池溫度場仿真

1.1 電池單體幾何模型建立

鋰離子電池在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱，如果不對電池進行及時且有效的散熱，不僅會嚴重影響電池的工作性能和工作循環(huán)周期，而且會造成電池自燃或爆炸。要對電池加載散熱系統(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電池進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對電池進行放電狀態(tài)下的溫度場仿真分析，對車載鋰離子電池進行研究，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化為一個立方體，使用SolidWorks對簡化的電池模型進行幾何建模。

1.2 網(wǎng)格劃分

幾何模型導入ICEM CFD進行網(wǎng)格劃分，由于幾何模型結(jié)構(gòu)簡單，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文件格式導入FLUENT中，為減小計算量，縮短計算時間，預測電池熱行為可以作出三個假設[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)沒有對流或熱輻射。

圖1 電池溫度云圖

通過設置電池參數(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仿真計算，本文所選型號的電池單體在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驗數(shù)據(jù)基本相同。說明電池幾何模型較準確、仿真模型設置較為合理，后續(xù)電池組仿真可以在電池單體仿真的基礎上進行仿真計算。

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證電池單體仿真結(jié)果的準確性之后，對電池組進行電池2C放電狀態(tài)下的溫度場仿真分析。要建立有效的電池熱管理系統(tǒng)就要對電池組內(nèi)部溫度分布情況有所了解，通過仿真分析可以大致了解電池組內(nèi)的溫度場分布，再根據(jù)分析結(jié)果對電池組進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這樣才能逐步建立一個有效的電池組散熱系統(tǒng)。

由電池單體的尺寸設計電池箱體的尺寸為：77 mm×142 mm×175 mm，進出風口尺寸設計為20 mm×73 mm，電池箱體厚2 mm。通過SolidWorks對電池組進行幾何建模，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入CFD ICEM中進行幾何區(qū)域定義與網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時注意定義固體域和流體域，并設置固體域與流體域之間的面為wall類型。劃分網(wǎng)格后對模型進行質(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、比熱容和導熱系數(shù)分別使用查閱相關資料得出。通過設置參數(shù)和邊界條件經(jīng)過仿真計算，得出電池組溫度云圖3、單體電池溫度云圖4。

圖3所示是整個模型的溫度云圖，進風口與出風口分布在異側(cè)。電池組溫度場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，進風口處的電池散熱效果較出風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 改變出風口位置

通過改變進風口出風口異側(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)格導入到Fluent中并執(zhí)行Check命令檢查網(wǎng)格質(zhì)量合格，計算策略、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)電池組模型設置相同，并且將六塊電池的初始溫度也設置為313.15 K。時間步的設置與上節(jié)電池組模型設置相同。

經(jīng)仿真計算，電池組在2C放電狀態(tài)下持續(xù)放電5 min，同時在溫度為300 K、入口風速為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)出風口電池 圖6 同側(cè)出風口電池 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，從進風口往后的第3、4、5塊電池散熱情況較其他三塊電池差。可知電池組溫度在299.9955 K～314.0504 K之間，溫差為14.0549 K。

經(jīng)過電池組模型與改變后電池組模型的仿真分析，對兩者的仿真結(jié)果進行比較如表2。通過對前后兩種電池組模型進行仿真比較，最后的出口改進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)電池組模型的基礎上對電池組內(nèi)電池的排列順序進行優(yōu)化，電池組內(nèi)個電池單體的散熱效果由進風口處往后依次變差，所以提出一個優(yōu)化策略：將個電池單體按生熱率由高到低、從進風口處依次往后排列。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、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

為對電動客車動力電池進行散熱系統(tǒng)優(yōu)化，通過先對電池單體進行建模仿真，得出的仿真結(jié)果可靠，再對電池組進行建模仿真，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。通過改變出風口位置和調(diào)整電池單體順序得出結(jié)論如下：

1)進風口與出風口同側(cè)比進風口與出風口異側(cè)散熱效果好，最高溫度和溫差有所下降。同時流體速度分布相對較均勻。

2)通過調(diào)整單體電池順序可使生熱率較高的電池處于靠近進風口散熱良好的位置，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，延長電池組的使用壽命。