【正文】 間長，但是占用內存小。 電池組熱管理系統(tǒng)建模和仿真分析 本文 研究的目標 電池為國內某廠商生產的 180Ah 磷酸鐵鋰電池，應用于電動汽車。車體空間較小，在有限的空間內需要布置電池 、 電池管理系統(tǒng)和其他電氣和機械構件，因此要求熱管理系統(tǒng)占用的體積盡可能小。 根據廠商提供的電池工作參數，結合電池的工作條件，本文確定熱管理系統(tǒng)設計的兩個目標： 1）在 1C 充放電電流下 ，電池溫度不高于 50℃； 2）保證電池溫度一致性，單體間溫差不超過 ℃。 在仿真分析中，為了減少運算量，在保證仿真計算精度的情況下，對電池模型進行如下假設： GAM BI T 設置幾何形狀 生成 2D 或 3D 網格 其它軟件包，如CAD ， CAE 等 F L U ENT 網格輸入及調整 物理模型 邊界條件 流體物性確定 計算 結果后處理 T Gr i d 2D 三角網格 3D 四面體網格 2D 和 3D 混合網格 pr ePDF P DF 查表 2D 或 3D 網格 幾何形狀或網格 P DF 程序 網格 邊界和（或）體網格 邊界網格 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 17 1） 電池 單體的比 熱容為常數， 電池內部各部分 比熱容相同， 電池 單體的溫度變化只與 比 熱容有關； 2）電池單體內部均勻發(fā)熱； 3）忽略電池單體內部的對流和熱輻射。 以上假設是仿真計算的基礎，這幾項假設忽略了電池模型中難以確定且對熱管理系統(tǒng)仿真影響不大的細節(jié)部分 。 電池體內的溫度分布與實際情況會存在差別，但是對研究電池整體溫度分布影響不大。而電池熱管理系統(tǒng)和機械結構設計關注的重點就是電池總體溫度分布情況。 電池 熱 模型的建立 電池外形和尺寸如 圖 所示。電池形狀近似于長方體，外殼是塑料材質，四周和底面都有凸起的肋條， 增大電池散熱面積，并可以在電池間形成空氣流道 。 根據電池外形參數， 利用 Pro/E 軟件 建立 的 電池三維模型如 圖 所示。 圖 電池 單體 外形及尺寸 圖 電池單體三維模型 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 18 依據廠商提供的參數和電池性能實驗，電池部分參數如 表 所示。 表 電池部分性能參數 參數名稱 參數值 容量（ Ah） 180 質量（ kg） 177。 能量密度（ W?h/kg at ） 116 循環(huán)壽命（ 80%DOD） 2022 工作溫度（℃） 0~55（充電） / 25~55（放電） 標準充放電電流（ C） 自放電率（ /月） 3% 比熱容（ J/(kgK )） 870 電池熱模型 建立的重要一步是確定電池的發(fā)熱量。鋰離子電池的發(fā)熱是一個復雜的物理和化學變化過程。 Noboru Sato 等人 的研究成果表明 [58]，鋰離子電池的發(fā)熱可以分為三類：反應熱、極化熱和焦耳熱。 1）反應熱 電池在充放電時內部發(fā)生化學反應所產生的熱量，反應熱是電流的一次函數，可以用公式計算： r 1 Q I? ? ? （ 28） 式中， Q1 是電池反應的發(fā)熱量，單位是 kJ/mol， Ic 為充電 電流 ，負號表示充電時為吸熱反應，放電過程與此相反 。 2）極化熱 極化熱是電池濃差極化、歐姆極化和電化 學極化產生的熱量之和，計算公式為： 2ppQ I R? （ 29） 式中， I 為電池充放電電流， ??為極化內阻。 3） 焦耳熱 焦耳熱是由于電池存在歐姆內阻產生的熱量，計算公式為： 2JeQ I R? （ 210） 式中， I 為電池充放電電流， Re 為歐姆內阻。 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 19 這三類熱量中，反應熱是電流的一次函數，極化熱、焦耳熱是電流的二次函數。且充電時，反應熱為負，即電池從外界吸熱；放電時則電池發(fā)熱。因此，在電流較大時，可以忽略反應熱，電池發(fā)熱量主要由極化熱和焦耳熱組成，即總的發(fā)熱量為： 2tiQ I R? （ 211） i p eR R R?? （ 212） 其中， Qt 電池總發(fā)熱量， Ri 為電池總內阻， 即 極化內阻與歐姆內阻之和。 內阻是表征電池狀態(tài)的重要參數。鋰離子電池內阻主要受 溫度和 SOC影響 [56]。 混合脈沖功率特性方法（ Hybrid Pulse Power Characterization, HPPC）是一種最常用的內阻測試方法。 HPPC 方法將電池等效為理想電壓源與一個電阻的串聯(lián)， 此電阻即為電池內阻。 RiUOUO C V++ 圖 HPPC電池等效電路 表 為通過試驗測得的電池內阻值，內阻為極化內阻與歐姆內阻之和。從表中可以看出，電池內阻變化范圍很大。電池熱管理系統(tǒng)的設計目標是溫度不超過 50℃ 。 在溫度低于 35℃時，散熱系統(tǒng)的壓力不大，這一溫度范圍不是熱管理系統(tǒng)研究的重點。需要重點關注的溫度范圍是在 35~50℃之間，在這一溫度范圍內，熱管理系統(tǒng)必須高效率 地 將電池產生的熱量散發(fā)出去，以保證電池的溫度不會過高。因此，在仿真分析時這一溫度范圍 的電池發(fā)熱量是考察的重點，熱管理系統(tǒng)的散熱能力以此溫度范圍電池發(fā)熱功率為依據進行設計。 取電池內阻在 35~50℃區(qū)間的最大值 ，并假設電池的內阻為恒定值，這樣仿真時電池發(fā)熱量不會小于實際發(fā)熱量，保證了熱管理系統(tǒng)的散熱能力滿足實際工作的要求。由公式（ 211）可以算出，在 1C 電流（ 180A）下，電池的發(fā)熱功率為 44W， 電池單體的體積約為 103m3，故電池 體積 發(fā)熱率為 。 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 20 表 電池單體內阻值（ mΩ） 溫度 (℃ ) SOC(%) 10 5 20 35 50 100 80 60 40 20 0 典型鋰離子電池內部結構為多層結構，如 圖 所示。在垂直于層面方向，電池的傳熱需要穿透多層材料，可以 看成 多層材料的串聯(lián)；在平行于層面方向，則可以看做多層材料的并聯(lián)。這兩種方式熱導率的計算公式如下 [59]： ii11i1niniAkkA????? （ 213） ? ?i12ii1/niniLkLk????? （ 214） 式中， k1 為圖 1 中 X 和 Z 方向的導熱系數， k2 為 Y 方向的導熱系數。ki 為第 i 層材料的導熱系數， Ai 為第 i 層并聯(lián)材料的截面積， Li 為第 i 層串聯(lián)材料的厚度。利用公式和電池材料的信息可以計算出各方向上的導熱系數。 圖 典型鋰離子電池結構示意圖 [59] 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 21 為了進一步了解電池內部結構，對一塊報廢的電池進行了拆解，電池結構如 圖 所示。 電池內部結構與 圖 所示結構相似，不同的是電池在層狀結構外有一層外殼包裹 ， 因此計算導熱系數的方法稍有不同。 圖 電池內部結構 電池內部為很多個薄膜狀電池單元并聯(lián)組成， 每個電池單元包括正極片、負 極片和隔膜等。電池總共由 120 個電池單元組成，單元由外殼包裹。各部分材料導熱系數如 表 所示。 表 電池材料導熱系數 材料 導熱系數（ W/(m?K)） 磷酸鐵鋰 鋁 238 石墨 銅 401 PP（隔膜） 聚丙烯（外殼） 電池內部物質（不包括外殼）為層狀結構，由 公式（ 213）和（ 214），查詢各部分材料的厚度后，可以算出 X、 Y、 Z 方向的導熱系數分別為(m?K)、 (m?K)、 (m?K)。加上外殼后，三個方向的導熱系數分別為 (m?K)， (m?K)和 (m?K)。 其中 X、 Y、 Z 方向 見圖 。 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 22 至此已完成電池熱模型的建立，該模型為簡化的 三維模型，對電池內部結構、電池發(fā)熱狀況和電池外形均進行了一定的簡化。模型的建立始終以電池組熱管理系統(tǒng)的需求和電池性能試驗為基礎，模型精確度滿足 CFD 仿真的要求。 電池組機械結構 前文 介紹了 電池熱管理系統(tǒng)常用的散熱方式， 通過比較各種方式的優(yōu)缺點， 本文熱管理系統(tǒng)采用并流式空氣冷卻 的散熱方式 ，主要原因有以下幾點： 1）電池性能試驗結果表明，該電池發(fā)熱并不嚴重，采用空氣冷卻方式足以保證達到設計目標。與液體冷卻和相變材料冷卻兩種方式相比，空氣冷卻系統(tǒng)結構簡單，成本較低，易于實現(xiàn)。 2）電池的外形決定了熱管理系統(tǒng)不宜采用串流式冷卻方式。 電池為扁平的長方體外形，冷卻空氣若從電池上下表面或左右側面（較窄側面）流過，則散熱表面面積太小，散熱效率低；若冷卻空氣流過電池前后側面（較寬側面），則電池組過于狹長，不具有實用性。并且串流式冷卻電池溫度一致性難以保證。 3）并流式空氣冷卻 散熱效果較好并且結構緊湊 ， 目標電池前后側面 的凸起的肋條恰 好可以形成電池間串流式空氣流道，電池的固定與裝配容易 實現(xiàn)。 本文確定了如 圖 所示的電池組合方式，電池組由 24 塊電池單體串聯(lián)組成。 24 塊電池單體排成兩排， 每排 12 個單體 ， 構成一個大的方塊。根據電池排布方式和散熱的需要，設計了如 圖 所示的 電池箱。 圖 電池組合形式示意圖 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 23 圖 電池 箱 外形 電池間的風道和外部擋板一起形成了完整的散熱風道，電池組前 面 板的下部和后 面 板的上部分別為出風口和進風口。 圖 為電池組內部空氣流動示意圖。排氣風扇安裝在右下方出風口處。冷空氣從左上方進氣口進入電池組上部通道， 之后 通過豎直方向共 13 個風道 對電池進行冷卻， 進入電池組下部通道，最后經由出風口排出。 在電池上下方各留出了 40mm 高的通道作為空氣流道，也便于在仿真分析發(fā)現(xiàn)問題時有調節(jié)的余地。 整個電池組可以分為完全 相同的兩部分 ，各包含 12 個電池單體。 兩部分電池的散熱通道相互獨立，除了進出風口處，兩個散熱 通道間沒有任何物質和能量的交流。由于系統(tǒng)完全對稱，兩部分相鄰電池的接觸面溫度完全一致，不存在熱量傳遞。 因此在仿真分析中，只對其中一部分進行研究，以減少運算量。 電池組分解視圖如 圖 所示。 排 氣風 扇 圖 電池組內空氣流動示意圖 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 24 圖 電池組結構分解視圖 仿真模型網格劃分 FLUENT 軟件采用的有限體積法進行數值分析。 網格劃分質量直接關系到 FLUENT 仿真的精確度和運算速度 ，是仿真分析的關鍵一步 。 GAMBIT是 FLUENT 前端處理軟件，完成幾何結構的建立和網格的生成。 在生成網格之前，在不影響仿真分析精度的情況下，可以對模型進行合理的簡化，以提高網格的質量，減少運算量。電池單體上很多細節(jié)結構較為復雜，卻對空氣流動影響不大，這些細節(jié)結構均可進行簡化 。 如 圖 所示，電池頂部的電極和凹槽等細節(jié)部分結構較為復雜，但在整個流道中對流體流動的作用很小 ，可以加以簡化，頂部簡化為平面。在電池組的結構中，電池左右兩側面完全處于流道之外，因此橫向的 凸 條可以簡化。 圖 電池 模型 結構的簡化 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 25 在 GAMBIT 中可以完成模型的幾何結構如 圖 所示。幾何模型分為13 個區(qū)域，包括 12 個電池單體和一個流體區(qū)域。 在 GAMBIT 邊界條件設置中將 12 個電池單體設為固體 屬性 ，流體區(qū)域設為流體 屬性 。對這些區(qū)域分別進行網格劃分，網格模型如 圖 所示。 圖 GAMBIT中電池組幾何 模型 圖 模型的網格 劃分 第 2 章 車用鋰離子電池組機械結構設計與優(yōu)化 26 GAMBIT 中可以對邊界條件進行初步設置。電池組出風口設定為排氣扇（ Exhaust Fan），用于模擬外部排氣扇；模型中空氣被動的從進氣口處流入，進氣口邊界條件設為壓力入口（ Pressureinlet），這種邊界條件適用于入口處壓力為已知的情況；其他壁面分為兩組，一組為電池與空氣接觸的表面，這些表面也是換熱面，另一組為其他表面，這些表面不參與換熱，可以設為絕熱面。 在實際情況下，電池之間的接觸面存在著熱傳導，熱量從溫度較高的電池單體傳遞到溫度較低的單體。在仿真分析中，考慮到相鄰電池溫度一般相差很小，傳遞的熱 量也很小，對電池溫度分布影響所起的作用不大，而且設為傳熱面會大大增加計算量，因此這些面也設為絕熱面。 仿真分析的計算模型 在 GAMBIT 中完成幾何模型的建立和網格劃分后，即可將網格數據文件導入 FLUENT 中。 FLUENT 在進行仿真計算之前，還需要對計算模型進行相應的設置。 求解器和湍流模型的選