电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化*

刘振军，林国发，秦大同，胡明辉，林歆悠

(重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

前言

目前，节能环保汽车的开发，已受到各国政府和各大汽车公司的高度重视［1］，其中电动汽车已成为主要的发展方向之一。电池是电动汽车的核心部件之一，而锂离子电池因具有电压高、比能量高、比功率大、循环性能好和自放电低等优点，成为电动汽车和混合动力汽车的主导电源。但锂离子电池在充放电过程中产生的大量热量，会导致电池内部温度升高和单体电池之间温度不均匀，造成电池性能不稳定，严重时甚至影响到电池的使用安全和寿命。因此，电池组的散热和温度控制是保证电池性能的关键。目前，车上电池组散热一般采用风机抽吸式冷却结构［2－3］。这类结构的缺点是抽风机或吹风机本身消耗电池电量，降低了电池的利用功率，缩短了汽车的续驶里程。如果利用自然风冷方式，当汽车行驶时，利用周围空气与汽车的相对运动，可对锂电池组起到冷却作用。本文中从不消耗电池电量的自然风冷结构入手，运用计算流体力学方法对锂离子电池组自然风冷时的温度场进行建模和仿真分析，提出了使电池组的温度场均匀的优化方案。

1 锂电池组温度场仿真

1.1 电池组几何模型

本文中的研究对象是国内某汽车公司最新开发的纯电动汽车用锂离子电池组。单体电池的尺寸(长×宽×高)为217.5mm×142mm×67mm，电池壳体厚度为1.5mm。电池组由56个单体电池组成，单体电池间隙为2.5mm，电池箱的整体尺寸为1 054mm×580mm×300mm，板厚为2mm。单体电池在电池箱内的排列方式如图1所示，双层排列，上下层间隙为10mm，前后排间隙为16.5mm。汽车沿着箭头相反方向行驶，根据此时运行车速可折算出作用在电池组上的风速。

1.2 电池组的散热模型

文献［4］中运用电池热模型研究电池的热管理问题，电池热模型的实质是电池内部各微元体的能量守恒方程。假设组成电池的各种材料介质均匀、密度一致;同一材料的比热为同一数值、同一材料在同一方向各处的传热系数相等;电池充放电时，电池内部各处电流密度均匀［5］。基于以上假设可得电池组直角坐标系三维非稳态传热模型为

式中:ρ为传热介质密度;CP为比热;θ为温度;t为时间;λx、λy、λz为沿 X、Y、Z 的传热系数;Qz为生热量。计算电池内部温度场的实质是求解式(1)所示的传热微分方程。求解上述方程须解决3个关键问题:(1)生热量的准确表达;(2)热物性参数ρ、CP、λ的准确获取;(3)定解条件(初始条件和边界条件)的准确确定。

1.3 电池生热量

电池的生热量主要由反应热、极化热、副反应热和焦耳热4部分组成。对于镍氢电池来说，因为充放电过程中有氧气析出，不可避免地会与氢气发生反应，产生副反应热。而对于锂离子电池来说，这部分热量几乎为零，因此电池内部反应热只考虑剩下的 3 部分热量［6－7］。

式中:Q为化学反应过程正负极产热量的代数和，kJ/mol;I为放电电流，A。

式中Rp为极化内阻，Ω。

式中Re为电子流动过程中内阻，Ω。

当锂离子电池温度达到70～80℃时，反应热占电池总产热量的绝大比例;而在低于上述温度充放电时，焦耳热占较大比例。一般锂离子电池的正常工作温度为－20～65℃，因此，锂离子电池正常工作时的发热量主要由极化热和焦耳热组成。

单位面积电池自身发热功率，即热流密度为

式中S为单体电池上发热面面积，m2。

1.4 计算网格

在对锂电池组进行温度场建模和数值模拟时，提出4个假设条件:①在散热系统内部流场中，流体看成理想不可压缩流体;②流体与固体间无相对滑动;③流体的惯性力忽略不计且边界压力为0;④忽略散热系统的结构热变形。

对电池组模型进行必要的简化后，选取其1/4作为几何模型。周围空气网格模型是无限大的，因受计算机配置的限制，只考虑电池组周围200mm内的范围。计算网格的生成使用FLUENT公司开发的Gambit网格生成工具，采用结构化网格，生成的网格如图2所示，网格数约有220万个。

1.5 边界条件、初始条件和求解器

将流体和固体界面设置为耦合传热固壁边界，当电池放电电流为30A、车速为100km/h时，电池组和空气的相对速度为25m/s，即为电池组迎风速度。初始温度取为27℃，电池壳体材料为不锈钢，单体电池之间气体为空气，电池组密封，箱体材料为不锈钢。根据式(8)，算得电池组的热流密度为26.34W/s2。所有流体视为单一流体介质，采用k-ε湍流模型。各介质的物性参数见表1［8］。

表1 介质物性参数

电池组箱体导热过程可认为是典型的耦合传热。求解耦合传热问题的有效方法是整场离散和整场求解［9］，把不同区域中的热传递过程组合起来作为一个统一的换热过程。流体部分和固体部分直接耦合，使用相同的离散规则和数值方法进行迭代计算。压力、动量和能量的离散方法采用2阶迎风格式，动量方程中的压力和速度耦合方法采用SIMPLE算法［10］。

2 仿真结果分析

当计算结果收敛时，仿真计算得到的电池组内部温度分布如图3和图4所示。

由图3和图4的仿真结果可知，电池温度分布不均匀，温升达到19℃。电池箱体中心处电池表面温度最高为46℃，边缘处电池表面温度最低为32℃，温差为14℃。这是由于电池箱和周围空气接触，与中心位置的电池相比，电池箱周边电池的对流换热系数大、散热条件好。电池组工作时，箱体内部边缘的空气通过箱体与外界空气进行热交换，使箱体边缘位置的电池表面温度相对较低。而箱体内部空气不流动，不能将热量及时带走，造成热量积累，因此箱体中心位置电池表面温度最高。

3 电池组温度场测试

3.1 测试系统和测试条件

为评价纯电动汽车锂离子电池箱散热模型的合理性和验证仿真结果的正确可靠性，对纯电动汽车原始锂离子电池组进行了温度场试验。测试系统采用德国申克公司研发的汽车道路模拟试验系统。该系统主要由3大部分组成:环境舱控制系统、底盘测功机和数据采集系统。试验在某企业技术中心的整车性能实验室环境舱中进行，电池组温度测试系统主要由T型热电耦、单片机PIC16F877、热电耦温度补偿放大芯片AD595、多路转换开关芯片ADG608、A/D转换芯片ADS8320和串口通信控制芯片MAX487等组成。温度传感器的布置是电池组温度测试的关键，温度传感器数目多，有测温全面的优点，但会增加试验成本和散热系统的压力损失。考虑到电池组的对称性和温度分布不一致，温度传感器有可能失效，布置的温度传感器数量又不能太少。温度传感器在电池箱体内部单体电池表面的布置如图5所示。分别调节环境实验舱的环境温度和风速至规定值:27±2℃和25m/s。设定电池组的放电电流为30A，电动车以100±5km/h的车速运行。

3.2 测试结果分析

在电池组温度平衡时得到的单体电池温度如图6所示，取电池模块在整个试验工况中的温度最高值和相应的仿真结果进行对比分析。

从图6可看出，实测温度的分布和仿真温度分布趋势基本吻合。说明本文中所建立的电动车锂离子电池组模型合理和准确。但仿真结果普遍高于实测温度，这是因为仿真时，所选取的空气流速和实车行驶时折算的空气流速有一定的误差。

4 电池组结构改进和温度场仿真

4.1 结构改进方案

通过对原始模型的研究和分析可知，因电池组内部空气不流动和电池底部直接与箱体接触，造成电池的温度不均匀。改进方案为:在电池箱体前后断面开通风口，尺寸为280mm×2.5mm×2mm，当电池组迎风时，空气通过前面的通风口进入电池组箱体内部，气流在各个单体电池间隙流动进行热交换之后，从后面的通风口出来，把热量带走，降低温升，实现温度的均匀性。通风口位置如图7所示。在电池箱内部，各个单体电池之间的间隙形成通风道。

4.2 温度场仿真

电池箱改进后的电池组温度仿真结果如图8和图9所示。

从图8和图9可清晰看到，气流从进风口进入电池组内部，穿过各个单体电池间的缝隙，气流与电池外壳进行换热，流动过程中逐步被加热，流经出风口及时将部分热量带走，起到冷却作用。其中电池组中间的几个缝隙因为流动阻力较小，流速比两边缝隙快，换热系数大，因此中间位置的电池温度也相对较低。边缘两侧的电池因靠近外界空气。散热条件好，温度也较低。如图10所示，电池表面温度最高为33℃，出现在电池组左右各1/4处的位置。电池组散热效果改进前后比较结果见表2。

表2 电池组散热效果改进前后比较

从表2可看出，在开了进风通风口之后，电池组的温升明显下降，最高温度从46℃降至33℃;电池之间的温差也从14℃降至6℃，均匀性显著提高。

5 结论

(1)利用FLUENT软件对锂离子电池组的温度场进行了建模和仿真分析，计算出了各电池壳体外表面的平均温度、最高温度和最大温差，并和试验值进行了比较，结果吻合良好，说明该模型能较好地反映电池组的温度场分布情况。

(2)原始电池组的温升较高，最高温度达46℃;均匀性较差，温差达到14℃，影响电池组的使用性能。主要是因为电池组内部空气不流动，换热系数低，造成热量积累、温度分布不合理。

(3)提出了改进方案，通过在电池组箱体前后端面增加进出风口，可使气流进入电池组内部各个单体电池之间的缝隙，提高了换热系数，改善了电池组内部的温度场，带走了热量。电池组的最高温度从46℃降至33℃，温升下降了13℃。电池之间的温差控制在6℃以内，均匀性显著提高。

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