电动汽车电池散热分析

郑 鑫，乔 鑫，孔繁华，李 飞

（华晨汽车工程研究院 车身CAE工程室，沈阳 110141）

0 引 言

纯电动汽车具有环境污染小，噪声低，能源利用率高，结构简单，使用维修方便，经久耐用等特点，备受广大用户的关注。电动车的电池为铁锂电池，锂离子动力电池因其优越的功率输出特性和寿命长等特点，目前在汽车电池箱中得到广泛的应用。但锂的化学性质非常活泼，对温度变化较敏感，而且车辆上的装载空间有限，大量电池紧密排列连接，当车辆在高速、低速等不同行驶状况下运行时，电池会以不同倍率放电，生热速率不同，随着时间积累及空间影响会产生不均匀热量聚集，导致电池组运行环境温度复杂多变，很容易燃烧。当电池充放电时，电池内部持续升温，若散热不好，会产生气体膨胀，电池内压加大，易爆裂，漏液。同一个电池箱，不同位置的散热条件不均匀，引起电池组间充放电不平衡，经过多次充放电之后，电池间的差异性将越来越大，最终导致电池容量下降，降低电池使用寿命。

电池箱散热方式有 2种，主动式和被动式。主动式散热系统的结构相对复杂，需要较大的附加功率，对车辆的巡航里程有所影响，但它的热管理更加有效。被动系统所采用的措施比较简单，没有使用冷却单元，直接依靠空气带走电池箱的热量，达到电池散热的效果，此方法成本较低，但散热能力有限。

基于项目组新开发车型的要求，需要计算电池箱的散热性能，是否满足整车的散热要求，若设计结构不合理，提出修改建议；确定电池箱的散热方式满足散热要求[1]。

1 模型计算

本车采用圆柱磷酸铁锂电池，由于电池箱布置在车底部，空间位置有限，电池箱被分为A、B箱，一共2009节电池，如图1、图2所示。原设计方案在电池箱中A箱、B箱的进口和出口各放置风扇，强制带动电池箱A箱、B箱内空气流动，带走电池散发的热量，即采用主动散热方式散热。

1.1 网格模型

本次仿真采用前处理软件HyperMesh进行面网格划分，网格数量为8261366，采用国内流行软件STAR-CCM+进行流体仿真分析，划分六面体网格1500万，如图3所示。

电池的体积为7.3e-5m3，发热量为0.3 W，导热系数为 3 W/（mk）。由于电池是复合材料组成的，为简化模型计算，假定电池为一圆柱实体，材料为电芯材料，密度为 2260 kg/m3，比热为1276.1 J/kg·K。电池槽材料为工程塑料，一共41个，尺寸大小不等。电池箱长1.9 m，宽1.2 m，如图4所示。

1.2 边界条件

入口边界条件：速度入口，5m/s；风扇转速：6000 r/min；环境温度：25℃；出口边界条件：压力出口；计算时间为20 min，若电池温度继续升高，可延长计算时间。

2 结果分析

2.1 冷流场分析

从图 5中，可以得到整个电池组内每节电池表面的速度分布比较均匀。在电池的正负极区域有一定的风速，可以带走电池散发的部分热量。从图 6可以观察出，整个电池箱内风的分布及大小，观察是否有涡流存在，为电池散热评估提供感观认知；并且模拟出了风扇的旋转，可以测出进出口风速的大小[2]。

图 7为整个电池箱内电池的压力分布，可以看出，压力分布比较均匀，最大压力差为6.227 Pa。原因主要是由于风直接吹到电池上，速度梯度变化较大，此处易产生涡流，导致空气不流畅，压力增大。可以通过在风直吹电池处前端设置挡板，起到缓流作用，降低压力差。

2.2 温度场分析

计算温度场，要考虑电池与环境的热量交换，电池和电池箱内要做interface，才能与空气进行对流换热。由于电脑设备有限，用整个模型做散热分析，耗时较长，为简化计算，把整个电池箱分为A、B箱，单独计算温度场。用冷流场计算的速度场结果作为计算温度场的入口条件，计算结果不失真[3]。

工作6 min时，从A箱温度场分布可以看出，温度相对均匀，温度差为1℃。温度较小地方为冲风端，带走热量比较多；工作20 min时，A箱电池温度分布相对均匀，温度差为2.4℃；工作60 min后，电池包内电池温度差为5.6℃，如图8所示。

由于Region32处于电池A箱内部，经过其附近的风速较小，散热条件有限，如图 9所示。取Region32为测试目标，工作60 min后的温度变化曲线如图10所示。此节电池温度还处于上升阶段。

如图11所示，电池工作4.5 min时，B箱内电池温差小于1℃；电池工作20 min时，电池组的温差小于1℃；电池工作66 min后，温差2.1℃；电池工作 121 min时，电池组的温度状态。温差4.6℃。B箱的工作状态比较好。

取电池风道入口Region4为目标（如图12所示），从监控点温度曲线图可以看出，电池温度还在增长中，如图13所示。

从电池A箱和B箱的温度分布图中可以看出，电池箱内温度场分布比较均匀，电池温度仍继续上升。由于试验考虑40 min内电池温升情况，本次仿真，延长计算时间，预测电池温度变化情况，为准确地评估电池箱的散热性能提高保障[4]。

3 结 论

从仿真结果得到以下结论。

1）只有建立整个电池箱的模型，才能真正地反映出电池箱内部风速及压力分布，观察出电池箱内是否存在涡流，为电池箱设计人员提供修改意见；

2）用冷流场计算的速度场结果，提供计算温度场的入口条件，简化温度场的计算模型，提高计算效率，结果不失真；

3）延长仿真计算时间，观察电池温度随时间的变化情况，更好、更准确的评估电池箱的散热性能；

4）采用仿真手段，避免了试验的盲点，可以观察整个电池箱内所有电池，任一位置的速度分布、压力分布和温度分布。

[1]Wu M S，Wang Y Y，Wan C C. Thermal Behavior of Nickel/metal Hydride Batteries During Charge and Discharge[J].J. Power Sources，1998，74；202-210.

[2]Gu W B，Wang C Y. Thermal-Electrochemical Modeling of Battery System[J]. J. The Electrochemical Soc. 2000，147（8）：2910-2922.

[3]Johnson V. Batteries Models in ADVISOR[R]. 2002：321-329.

[4]王福军，计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社，2004.