某电动汽车用锂电池散热系统仿真分析与优化

某电动汽车用锂电池散热系统仿真分析与优化
李美静;闫伟
【摘要】分别利用Hypermesh和Fluent等软件建立某电动汽车锂离子电池组散热系统的仿真模型并进行计算,分析该散热模块及电池组的温度变化.结果表明,冷却通道入口存在明显的高速涡流,在高速流区换热比较明显,但冷却液流动不均匀,电池组及电池单体的温度均匀性较差.对冷板结构进行优化和仿真分析,发现冷却通道进出口处存在的高速流区分布范围较广,每个流场速度分布较均匀,整体换热效果较好,电池组的温差减小,电池组的温度一致性得到明显改善.
【期刊名称】《内燃机与动力装置》
【年(卷),期】2019(036)002
【总页数】5页(P14-17,22)
【关键词】锂电池;散热系统;计算流体动力学;冷板结构;电动汽车;仿真分析;优化【作者】李美静;闫伟
【作者单位】山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061;山东大学能源与动力工程学院,山东济南250061
【正文语种】中文
【中图分类】U469.72
0 引言
随着环境污染以及能源危机带来的问题愈发严重，新能源汽车逐渐成为研究热点以
及必然趋势[1]。

新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、
燃料电池电动汽车、氢发动机汽车和其他新能源汽车等。

对于纯电动汽车和混合动力汽车来讲，电池的使用性能严重制约着整个行业的发展[2]。

相对于其它蓄电池，锂离子电池具有单体电池电压高，能量比高，使用寿命长等优点[3],但是，锂电池
的工作性能受温度变化影响很大[4]，温度过高会极大地影响锂电池的性能，因此
锂离子电池组模块的结构、散热方式等硬件的设计至关重要[5-6]。

针对某电动汽车用锂离子电池组散热问题，利用Hypermesh软件建立其散热系统的网格模型，分析该散热系统的散热性能，并从结构上进行优化，提高电池组的散热性。

1 电池组生热及传热模型
1.1 电池组生热模型
电池工作过程中，产生的热量主要由反应热、焦耳热和极化热组成[7]。

H.Fathabadi等[8]提出电池的生热率
(1)
式中：Ri为内部等效电阻，Ω/m3；I为锂电池单位体积放电电流，A；Tb为电池单元的温度，K；ΔS为熵变，J/(mol·K)；n为电化学反应过程中转移的电子数；F 为法拉第常数，F=96 485 C/mol。

研究表明，在一定温度范围内，熵变量ΔS只与荷电量SOC有关[9]；Ri与温度和SOC均相关，即Ri=f(T，SOC)[10]。

本文中由脉冲电流法得到等效内阻的拟合曲线，再通过用户自定义函数(user defined function，UDF)功能将电池在2C倍率下恒电流放电800 s的热量编译加载到Fluent中作为体积热源。

1.2 电池组传热模型
试验采用电池单体为32 V/42 Ah磷酸铁锂方形电池，尺寸为150 mm×72
mm×180 mm。

冷板为铝板，冷却液采用质量分数为50%配比的乙二醇水溶液[11]，以上材料的热物性参数如表1所示。

表1 各材料热物性参数名称密度/(kg·m-3)比热容/(J·(kg·K)-1)导热系数
/(W·(m·K)-1)x向y向z向锂电池168312020.9202.7202.720铝板2705 890162.000162.000162.000冷却液111234580.4980.4980.498
本研究所用的电池冷板结构如图1所示，冷却液从上侧入口流入，分两路进入冷
却通道；之后由下侧出口流出，并汇合流入电池冷却系统的微通道散热器，在其中完成与空调系统冷媒的热交换。

电池单体粘附于冷板两侧完成与冷板壁面的换热，冷板壁面再完成与冷却液之间的对流换热。

利用Hypermesh软件建立电池散热系统的网格模型，共划分823万个单元格，如图2所示。

图1 冷板结构示意图图2 电池组散热系统网格模型
电池的生热及电池与冷板之间的换热遵循连续性方程、动量守恒方程以及能量守恒方程[12]，仿真过程采用标准κ-ε模型，SIMPLE求解器求解。

入口流体温度为288.15 K，质量流量为0.015 kg/s；出口为压力出口，压力设置为0，湍流强度
默认[13]。

电池与冷板、冷板与冷却液之间采用Fluent自带的耦合壁面设置，Fluent软件会自动对换热系数进行计算[14]。

除了与冷板接触的电池表面，其余
表面均设为绝热。

2 仿真结果分析及结构优化
2.1 仿真结果分析
将电池组传热模型导入Fluent软件，设置好上述边界条件后，进行瞬态的数值模
拟计算，仿真时间为电流放电时间800 s，仿真步长为1 s，仿真后得到的冷却通
道截面温度场如图3所示(图中单位为K)，流场分布如图4所示(图中单位为m/s)。

图3 冷却通道截面温度场分布图4 冷却通道截面流场分布
从图3可看出，冷却板1冷却液入口处温度较低，为297 K左右，随着冷却液的
流动，电池与冷却板、冷却板与冷却液之间发生换热，冷却液温度不断升高，在冷却板2出口处温度达到305 K左右。

结合图4可以看出，冷却板1和2的入口，尤其是冷却板1的入口附近存在明显的高速涡流，导致在高速流区冷却板与冷却液换热比较明显，冷却板温度较低。

图5 电池组温度场分布
图5为电池组温度场分布图(图中单位为K)，布置在冷却液入口通道处的电池温度较低，随着冷却液流动，其温度不断升高，导致与相应冷板接触的电池温度也相对较高。

电池组最低温度为298.87 K ，最高温度为307.23 K，温差为8.36 K，即电池组的温度均匀性较差。

同时,垂直于冷却液流动方向上电池单体的温度也存在差异性，造成这种现象的原因是冷却液流动不均匀。

2.2 散热系统结构优化
从以上分析可以看出，冷却液流动不均匀导致整个电池模块的温度差异性较大，严重影响电池的性能，因此有必要优化散热系统。

图6 改进后的冷板结构模型
沿冷却液的流动方向，改进前的冷却系统每块冷板的侧面同时与4块电池单体相接触，电池组温度不均匀。

将每块冷板等分成4块，每1小块冷板的侧面都只与1块电池单体接触，改进后的冷板冷却液进出口设置如图6所示。

图7为冷板结构改进后的冷却通道截面温度场(图中单位为K)，图8为流场分布图(图中单位为m/s)。

从图7、8中可以看出，改进结构后，冷却液入口处温度约为300 K,最终出口处温度约为304.5 K，整体温度略有上升，这主要是由于冷却通道长度增加所致，但是，进出口处存在的高速流区分布范围较广，每个流场速度分布较均匀，整体换热效果较好。

图7 改进后的冷却通道截面温度场图8 改进后的冷却通道截面流场分布
图9 改进后的电池模块温度场
改进结构后的电池模块温度场如图9所示，改进结构后，电池组最低温度略有上升，最高温度略有下降，与冷却通道温度变化趋势相同。

电池组的最低温度为301.52 K，最高温度为306.23 K，温差为4.71 K,电池组的温度一致性得到了明显改善[15]。

3 结论
1)根据某电动汽车用锂离子电池生热及传热模型，建立电池模块及其散热系统的网格模型，利用CFD仿真软件计算该散热系统的冷却效果，结果表明，原散热系统的温度均匀性较差，需要对散热结构进行优化。

2)将狭长的冷板等分为4小块，每小块冷板侧面分别与1个电池单体接触，仿真分析后发现电池组最低温度略有上升，但是与电池单体之间的温差降低，电池组的温度均匀性得到明显改善。

3)本次仿真利用电池恒电流放电的生热量进行计算，仅具有一定的指导意义。

对于电池放电率较高的恶劣工况，由于改进后的模型只改善了电池组的温度均匀性，并未使电池的最低温度下降，在恶劣工况下散热系统换热效果可能较差，因此仍需进一步的改进。

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