电池组散热模型仿真分析及散热结构优化①

廖中文，王海林

(1.广东农工商职业技术学院科研与产业服务处，广东 广州 510507；2.华南农业大学工程学院，广东 广州 510642)

1 引言

在碳达峰、碳中和目标的实现过程中，新能源汽车产业被寄予厚望，已上升至国家发展战略的高度，成为了不可逆的发展方向。锂离子动力电池是纯电动汽车的核心部件之一，因其比能量大、无记忆效应、无污染、低维护性及高循环寿命等优点受到纯电动汽车行业的青睐，成为首选的动力来源[1-3]。

动力电池在充放电过程中，由于热效应的影响会带来温度上升、温度不均，甚至温度失控的情况，严重影响电动汽车的行驶安全。同时，动力电池在工作过程中，对温度较为敏感，锂离子电池在高低温的极端环境中容易发生热失控[4]。空冷是最传统的冷却方式，广泛应用于电动汽车(battery thermal management system，BTMS)领域，比如丰田普锐斯、比亚迪E6等车型[5]。风冷具有成本低、结构简单、维护方便和质量可靠等优势,同时，风冷作为技术基础，可以配合其他冷却技术进行耦合散热或根据服役工况特点实现多级散热。电池冷却效果与电池的排列方式、空冷流道形状和风口布置紧密相关。

本文通过构建70粒18650磷酸铁锂电池三维热模型并进行温度场模拟，对比分析在自然冷却状态、强制通风状态及交替进风散热三种状态下，对应电池组的最高温度、最大温差等关键数字，通过优化交替进风散热结构，在风速2.5 m/s时，4次交替进风的温差比强制风冷散热的温差降低了2.4 ℃。

2 电池计算热模型构建

考虑电池构造的复杂性，热量传递规律不明显，为简化单体电池建模且不失真实性，本文做几点假设。首先，传热方式方面，主要是电池内部热传导和外部流体与电池表面的热对流；其次，构成电池的材料均匀性一致，通过的电流相同，温度梯度分布均匀，同向导热系数相等；再次，热物性参数如电池的密度、比热容以及导热系数都看作定值，不受外界因素影响。

2.1 电池内部热量传递方程

18650磷酸铁锂电池内部任意微元体的热量传递过程可以用傅里叶定律的三维非稳态热扩散方程表示，如式(1)所示。

(1)

式中，ρ表示电池密度，kg/m3；c表示电池比热容指标，J/(kg·K)；q代表电池单位体积产生的热量，W/m3；r是电池的半径，m；λr是电池径向导热系数；λz是电池轴向导热系数，表示传热的快慢，W/(m·K)；T为温度，K，y为时间，s。热物性参数在仿真时为常数，为保证精准均取平均值。

2.2 电池外部热量传递方程

电池表面与外部流体之间的换热公式可用牛顿冷却定律计算，如式(2)(3)所示。

(2)

(3)

式中，h是对流换热系数，W/(m2·K)；T-T∞为物体与周围介质之间的温差，T是电池表面温度，T∞是冷却介质的温度，K。

2.3 计算流体力学基本控制方程

考虑到动力电池在充放电过程中，锂离子定向流动，在此，借鉴计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)，流体运动和传热满足三大基本守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律(Han et al.,2015)。体现在以下控制方程中。

(1)质量守恒定律。在经典力学的框架下，在一个封闭体系中，任何一种物理或化学反应，其反应前后的质量是不变的。在流体力学中，流场单位时间内流入与流出的质量相同。方程表述为：

(4)

式中，ux，uy，uz分别表示流体在三维坐标系中x，y，z三个方向上运动的速度分量；ρ为流体密度，t为时间。一般密度ρ为常数，则方程又可以表示为：

(5)

(2)动量守恒定律。取流体中的一个微元，其受到的所有外力之和等同于总动量对时间求得的变化率，即系统总动量守恒。且牛顿第二定律适用于动量控制方程。三维方向上的控制方程为：

(6)

(7)

(8)

式中，ρ为流体密度；P为压力；fx、fy、fz为流体单元质量力在三维方向上的分量；τxx、τyx、τzx为动力粘度的分量。

(3)能量守恒定律。能量守恒定律的本质是热力学第一定律。流体系统热量的变化与外力做的功等同于流体系统的总能量变化。控制方程如下：

(9)

式中，q为生热速率；c为比热容；λ为导热系数；T为温度，t为时间；Qt为由流体内部摩擦把动能转化为部分热能的热源项；ux，uy，uz分别表示流体在三维坐标系中x，y，z三个方向上运动的速度分量。

3 电池组三维热模型构建

采用有限元软件ANSYS自带Workbench-SpaceClaim进行建模。电池组箱体尺寸长×宽×高=270 mm×180 mm×95 mm，电池模组由70节单体电池组建而成，处在箱体中心位置，在保持真实的情况下，电池材料质地做均一化处理，省去帽头、底盖和泄压孔等，将电池视为一个均匀发热圆柱体，电池单体间隙为2 mm，如图1(a)所示。网格模型在Workbench-Mesh模块生成，采用四面体网格划分，划分后检查网格质量，不能出现负体积网格，网格正交性高于0.2，保证计算精度，网格模型如图1(b)所示。整个模型共划分了1 729 702个单元，541 579个节点。

图1 电池组模型(a)几何模型；(b)网格模型Fig.1 Battery model.(a) Geometric model；(b) Mesh model.

4 电池组风冷散热结构优化设计

某国产电动汽车电池组放电测试时，在自然冷却条件下，放电完成最高温度47.8 ℃，最低温度36.6 ℃，温差11.2 ℃，电池组中心区域温度最高；在强制风冷条件下，风速为2.5 m/s时，最高温度45.5 ℃，最低温度27.3 ℃，温差为18.2 ℃；风速为10 m/s时，最高温度38.1 ℃，最低温度26.1 ℃，温差12 ℃，温差仍较大，如图2—3所示。

图2 风速为2.5 m/s时电池组温度云Fig.2 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 2.5 m/s.

图3 风速为10 m/s时电池组温度云Fig.3 Temperature cloud diagram of battery pack when wind speed is 10 m/s.

基于此，为提高温度均匀性，在强制风冷散热结构的基础上设计一种电池组交替进风散热结构。在电池箱体进风口位置处加装一个左右互通的管道，如图4所示。除进风口外，一共有四个开关控制冷却空气的流向，开关1、4是一组，2、3是一组。当1、4打开且2、3关闭时，冷却空气通过管道由左边流向右边；当1、4关闭且2、3打开时，冷却空气通过管道由右边流向左边，交替开启与关闭直到放电完全结束。本文定义冷却空气通过管道由左边开关1流向右边出风口4的时间为一次交替，即指开启与关闭同一组开关的间隔时间。由于电池组完全放电需要3 600 s，现设置交替次数分别为1次、2次、3次、4次，对应交替时间分别为3 600 s、1 800 s、1 200 s、900 s。网格划分如图5所示，建模方法同强制风冷散热，风速设置为2.5 m/s。

图4 交替进风散热结构示意Fig.4 Structure diagram of alternate air intake heat dissipation.

图5 网格划分示意Fig.5 Structure diagram of mesh generation.

图6是电池完全放电后4种交替的电池组温度云图以及整个结构y=47.5 mm处的横截面温度云图。根据云图可以看出电池组1次和3次交替温度整体趋势变化一致，2次和4次交替温度整体趋势变化一致，基本上随着冷却空气的经过温度越来越高，电池组离进风口越远温度越高，中心偏下游的电池组温度最高。1次交替最高温度为45 ℃，最低温度27.6 ℃，温差17.4 ℃。2次交替最高温度为44.7 ℃，最低温度27.8 ℃，温差16.9 ℃。3次交替最高温度为44.5 ℃，最低温度28.1 ℃，温差16.4 ℃。4次交替最高温度为44.2 ℃，最低温度28.4 ℃，温差15.8 ℃。可以得出当4次交替，交替时间每次900 s时最高温度最低，温差最小。电池组最高温度在不同的交替次数上虽然有一定降低但变化不是特别明显。冷却空气与电池换热，空气升温，由于交替进风策略改变了进风流向，导致电池组低温区域受到被加热空气的影响，低温区域温度稍有上升，降低了整体的温差。

在风速2.5 m/s条件下，通过对比交替进风散热结构与强制散热结构的散热效果，不难发现，强制风冷散热结构最高温度为45.5 ℃，最低温度为27.3 ℃，温差为18.2 ℃，4次交替进风的温差比强制风冷散热的温差小了2.4 ℃，效果明显。交替进风冷却改善了电池组风冷散热的均匀性，在降低电池组温度积聚方面起到一定的作用。

5 结论

动力电池的热管理问题是制约新能源汽车产业发展的关键技术环节之一，本文通过优化散热结构，设计了一种电池组交替进风散热结构控制冷却空气的流向，在完全放电时间下控制交替时间的长短与次数。最终4次交替进风的温差比强制风冷散热的温差小了2.4 ℃，各种进风条件下的散热效果数据对比如表1所示。交替进风冷却改善了电池组风冷散热的均匀性，能有效控制温差，在降低电池组温度积聚区域起到一定的作用，达到了更好的散热效果。

表1 各种进风条件下的散热效果数据对比Table 1 Comparison of heat dissipation effect data under various air inlet conditions.