纯电动汽车电池包热管理及灭火装置设计

纯电动汽车电池包热管理及灭火装置设
计
摘要：
从电动汽车动力系统参数匹配及电池包各基本参数计算开始，对整个电池包
的热管理系统进行设计、方案布置和装配。

本文建立电池模组热分析模型，与锂
电池模块电化学模型耦合进行温度场仿真分析，对结果进行可视化处理，提高热
管理系统的可靠性，提升电池包性能，从而得出一个合理的电动汽车电池包热管
理系统设计流程，为电动汽车电池包的设计提供一定的依据和参考。

关键词：热管理系统;动力电池包;电化学模型;温度场热分析;
当前，环境保护与节能减排日益受到重视，电动汽车已经成为汽车行业的主
流发展方向。

电动汽车中动力电池包如果出现故障将造成严重后果，电池包最容
易出问题的系统是热管理系统，因此正确高效的电池包散热管理系统设计就显得
尤为重要。

本文利用Solid Works进行三维建模，将数据导入COMSOL进行热力学仿真，在确定电池包总成的基础上进行热管理系统设计。

系统由散热系统通风结构、温
度采集模块、热力学仿真分析和电池散热系统控制策略4部分组成。

1 电池包总成
为充分利用电池箱内部有限的空间及合理布置线束，将电池箱分为2层：电
池模组置于下层，电池管理系统、继电器、熔断器及线束置于上层，显示器置于
靠近上层侧箱。

电池包内根据设计要求共分为6个模组，动力蓄电池模组是蓄电池单体的集
成形式，它占据了整个电池箱的大部分空间，而蓄电池单体的尺寸形状又由其相
关参数决定。

线束合理化设计需要满足电磁兼容和总线冗余要求。

电池包通讯线束由各电
池模组经过CAN总线传输给电池管理系统（BMS），动力线串联6个电池模组，
并通过总正、总负输出端与电池箱上层结构中的线路盒内的保险丝、高压主正继
电器、高压主负继电器、预充电继电器、预充电阻、电流传感器相连接。

2 热管理系统设计
当前动力电池散热主要有自然冷却、风冷、水冷3种形式。

从成本、制造难度、技术、电池蓄电池持续放电需求等方面考虑，本文动力电池包热管理系统采
用液冷方式。

电池包可设计为288V，72Ah，选择20个由30并4串的电池模组串联形成电
池包的整体，即由30个单体电池并联形成一个并联电池模组，然后将4个并联
电池模组串联形成一个电池模组，最后将20个电池模组串联组成电池包。

冷却系统液冷管道设计为折弯与每排电池进行贴合，从而减少空气间隙，增
大接触面积，提高散热性能同时起到电池固定作用减少电池间碰撞，提高安全性能；管道通道为长方形单通道，但为确保冷却效果，考虑增大液冷流量和流速，
因此增大通道宽度和增加折弯处从而提高流速。

2.1 并联电池模组排列及箱体设计
电池模组由4 个单体电池并联模组串联形成，并联电池模组共由30个单体18650圆柱形锂离子电池并联排列组成，30个电池分5列间隙为25mm，每列6个
单体锂离子电池，与箱体内壁间隙为15mm和16mm，离管道入口的间隙为21.5mm，每列间隙围绕着冷却管道和导热材料。

2.2 冷却管道及导热材料模型设计
液冷热管理系统选用冷却管道围绕电池，橙色部分为冷却管道，冷却管道布
置方案为：从入口管道开始管道围绕每列电池进行曲折分布，做固定电池作用，
同时也为增大接触面积；为了更大的传热接触面积以便达到更好的散热效果，管
道设计成扁长形，电池与管道之间布有导热材料，即绿色部分所示，导热材料的
加入能更有效率地把电池产生的热量传递到冷却管道的接触面上，这样散热效果
更高效，为节省空间，出口管道与入口管道布置在同侧。

3液冷模型仿真分析
3.1 网格划分
采用Fluent自带的Mesh对设计好的并联电池模组和冷却管道等零件进行网
格划分。

把在SCDM简化后的并联电池模组和壳体以0.5mm～4mm的尺寸导入
Fluent Meshing，获得高质量的CFD表面网格，网格数量是223099，冷却管道和
导热硅胶片网格数量是698218。

见图3
3.2 物理模型参数设置
网格划分完成后的两个模型进入solver模式进行组装，打开能量方程和湍
流模型设置为标准的开氏度模式，把电池简化成了一个圆柱体实体，得不同方向
的导热系数，以圆柱的轴线方向为X方向。

3.3 设定边界条件
设定电池能量源项，在1C放电倍率的条件下，单体电池平均产热功率为
1.08W，模型初始化后可计算出30个单体电池的总体积为0.0005243334m3，因此
总生热功率为30×1.08/0.0005243334=61792w/m3。

初步定义边界条件冷却管道入口速度为1m/s，温度为25℃（298.15K），出
口压力为一个大气压；壳体表面设置为对流条件，环境温度25℃（298.15K），
换热系数为5W/m2×k，其他壁面绝热。

3.4 模型仿真结果与分析
设置好参数和条件后，定义100步，最大迭代次数为10，然后进行计算。

初
设温度为25℃。

在25℃，放电倍率为1C的条件下，管道环绕电池形式的液冷模型仿真结果
显示，总体最高温度为308.5K，电池的最高温度在306K左右，有效最低温度基
本在301K之间，温差在5K左右，仿真结果在电池合适的工作温度范围内。

冷却
管道入口温度最低，入口有效温度在298.7K左右，随着管道流动的长度增加，
温度逐渐增加，在与电池连接的最末端，温度基本在302.4K左右，增长约3.7K。

在电池末端，未能与冷却管道进行曲面接触的圆柱面温度最高，冷却管道和电池紧贴处散热效果明显；扁长形管道因能更大地与电池面接触，因此整体温度差别主要表现正负极处。

4.纯电动汽车灭火装置设计
4.1 硬件设计
4.1.1 STM32微处理器
该装置选用32位STM32嵌入式开发板,选择STM3232F103RCT6作为MCU,工作频率高达72MHZ,功能强大能耗低,包括48KB SRAM、256KB FLASH、5个串口、1
个USB、1个CAN、1个SDIO接口及51个通用IO口等硬件资源。

4.1.2 预警及报警模块
由于电动汽车电池在充电,放电及停车等任何工况下随时可能发生火灾并引
起爆炸,该装置采用GSM模块及声光报警模块实现对电池火灾火情的实时预警报警。

4.1.4 火探管自动灭火模块
4.1.4.1 模块概述
该模块由装有灭火剂的压力容器、容器阀及火探管组成。

火探管是一种新型非金属柔性材料,易于在细小空间内布置,无需能源供给,能够实现线型探测,火探管在着火点上方受热温度最高处爆破,利用自身储压将灭火剂通过爆破口直接喷
射至着火点根部。

4.1.4.2 灭火剂选择及剂量计算
该装置选用七氟丙烷灭火剂,是一种无色无味无毒的气体,适用于电气类火灾,本身没有导电性能,可以有效隔绝着火化学反应并防止火灾复燃。

4.2软件设计
该装置使用Keil软件进行编程、仿真及调试。

装置工作流程为:启动装置各个模块首先进行初始化,随后传感器进行数据采集并将采集到的数据进行传输,然后通过卡尔曼滤波计算温度最优化估算值,判断电池温度是否达到预警或报警警戒阈值,若出现火情或火灾控制预警及报警模块执行任务。

结论
本文热管理系统中的散热系统采用强制液冷的形式，建立电化学模型和热分析模型耦合，对电池模组进行温度场仿真分析。

最终得出一个合理的电动汽车电池包热管理系统设计流程。

为今后电动汽车动力电池包热管理系统的设计提供一定的设计依据和参考价值。

参考文献
[1]冯能莲,马瑞锦,陈龙科.18650型锂离子动力电池热特性研究[J].电源技术,2019,43(4):564-567.
[2]范光辉,余剑武,罗红等.汇流排对电池模组温度与电流均衡性的影响分析和实验研究[J].汽车工程,2019,41(2):140-146.
[3]安治国,丁玉章,刘奇等.液冷管道对动力锂电池组温度场影响研究[J].电源技术,2018,42(06):795-798.。