【正文】 求解器和湍流模型的選。 仿真分析的計(jì)算模型 在 GAMBIT 中完成幾何模型的建立和網(wǎng)格劃分后，即可將網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入 FLUENT 中。 在實(shí)際情況下，電池之間的接觸面存在著熱傳導(dǎo)，熱量從溫度較高的電池單體傳遞到溫度較低的單體。 圖 GAMBIT中電池組幾何 模型 圖 模型的網(wǎng)格 劃分 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 26 GAMBIT 中可以對邊界條件進(jìn)行初步設(shè)置。 在 GAMBIT 邊界條件設(shè)置中將 12 個(gè)電池單體設(shè)為固體 屬性 ，流體區(qū)域設(shè)為流體 屬性 。 圖 電池 模型 結(jié)構(gòu)的簡化 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 25 在 GAMBIT 中可以完成模型的幾何結(jié)構(gòu)如 圖 所示。 如 圖 所示，電池頂部的電極和凹槽等細(xì)節(jié)部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但在整個(gè)流道中對流體流動(dòng)的作用很小 ，可以加以簡化，頂部簡化為平面。 在生成網(wǎng)格之前，在不影響仿真分析精度的情況下，可以對模型進(jìn)行合理的簡化，以提高網(wǎng)格的質(zhì)量，減少運(yùn)算量。 網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接關(guān)系到 FLUENT 仿真的精確度和運(yùn)算速度 ，是仿真分析的關(guān)鍵一步 。 電池組分解視圖如 圖 所示。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。 整個(gè)電池組可以分為完全 相同的兩部分 ，各包含 12 個(gè)電池單體。冷空氣從左上方進(jìn)氣口進(jìn)入電池組上部通道， 之后 通過豎直方向共 13 個(gè)風(fēng)道 對電池進(jìn)行冷卻， 進(jìn)入電池組下部通道，最后經(jīng)由出風(fēng)口排出。 圖 為電池組內(nèi)部空氣流動(dòng)示意圖。根據(jù)電池排布方式和散熱的需要，設(shè)計(jì)了如 圖 所示的 電池箱。 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。并且串流式冷卻電池溫度一致性難以保證。 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。 電池組機(jī)械結(jié)構(gòu) 前文 介紹了 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)常用的散熱方式， 通過比較各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)， 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(diǎn)： 1）電池性能試驗(yàn)結(jié)果表明，該電池發(fā)熱并不嚴(yán)重，采用空氣冷卻方式足以保證達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 22 至此已完成電池?zé)崮Ｐ偷慕?，該模型為簡化?三維模型，對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電池發(fā)熱狀況和電池外形均進(jìn)行了一定的簡化。加上外殼后，三個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 (m?K)， (m?K)和 (m?K)。各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)如 表 所示。 圖 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電池內(nèi)部為很多個(gè)薄膜狀電池單元并聯(lián)組成， 每個(gè)電池單元包括正極片、負(fù) 極片和隔膜等。 圖 典型鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖 [59] 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 21 為了進(jìn)一步了解電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對一塊報(bào)廢的電池進(jìn)行了拆解，電池結(jié)構(gòu)如 圖 所示。ki 為第 i 層材料的導(dǎo)熱系數(shù)， 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。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)。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 。因此，在仿真分析時(shí)這一溫度范圍 的電池發(fā)熱量是考察的重點(diǎn)，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(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 在溫度低于 35℃時(shí)，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(diǎn)。從表中可以看出，電池內(nèi)阻變化范圍很大。 HPPC 方法將電池等效為理想電壓源與一個(gè)電阻的串聯(lián)， 此電阻即為電池內(nèi)阻。鋰離子電池內(nèi)阻主要受 溫度和 SOC影響 [56]。因此，在電流較大時(shí)，可以忽略反應(yīng)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(nèi)阻， 即 極化內(nèi)阻與歐姆內(nèi)阻之和。 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 19 這三類熱量中，反應(yīng)熱是電流的一次函數(shù)，極化熱、焦耳熱是電流的二次函數(shù)。 2）極化熱 極化熱是電池濃差極化、歐姆極化和電化 學(xué)極化產(chǎn)生的熱量之和，計(jì)算公式為： 2ppQ I R? （ 29） 式中， I 為電池充放電電流， ??為極化內(nèi)阻。 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(yīng)熱、極化熱和焦耳熱。K )） 870 電池?zé)崮Ｐ?建立的重要一步是確定電池的發(fā)熱量。 表 電池部分性能參數(shù) 參數(shù)名稱 參數(shù)值 容量（ Ah） 180 質(zhì)量（ kg） 177。 根據(jù)電池外形參數(shù)， 利用 Pro/E 軟件 建立 的 電池三維模型如 圖 所示。 電池 熱 模型的建立 電池外形和尺寸如 圖 所示。 電池體內(nèi)的溫度分布與實(shí)際情況會(huì)存在差別，但是對研究電池整體溫度分布影響不大。 在仿真分析中，為了減少運(yùn)算量，在保證仿真計(jì)算精度的情況下，對電池模型進(jìn)行如下假設(shè)： GAM BI T 設(shè)置幾何形狀 生成 2D 或 3D 網(wǎng)格 其它軟件包，如CAD ， CAE 等 F L U ENT 網(wǎng)格輸入及調(diào)整 物理模型 邊界條件 流體物性確定 計(jì)算 結(jié)果后處理 T Gr i d 2D 三角網(wǎng)格 3D 四面體網(wǎng)格 2D 和 3D 混合網(wǎng)格 pr ePDF P DF 查表 2D 或 3D 網(wǎng)格 幾何形狀或網(wǎng)格 P DF 程序 網(wǎng)格 邊界和（或）體網(wǎng)格 邊界網(wǎng)格 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 17 1） 電池 單體的比 熱容為常數(shù)， 電池內(nèi)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(guān)； 2）電池單體內(nèi)部均勻發(fā)熱； 3）忽略電池單體內(nèi)部的對流和熱輻射。車體空間較小，在有限的空間內(nèi)需要布置電池 、 電池管理系統(tǒng)和其他電氣和機(jī)械構(gòu)件，因此要求熱管理系統(tǒng)占用的體積盡可能小。 耦合隱式求解方法占用內(nèi)存較大，但是收斂時(shí)間短；耦合顯式求解方法收斂時(shí)間長，但是占用內(nèi)存小。用戶可以根據(jù)具體的問題和求解精度要求選擇適當(dāng)?shù)那蠼馄鳌?FLUENT 軟件包程序結(jié)構(gòu)如圖 所示。 FLUENT 是目前使用較多的 CFD 仿真軟件 。因此可以對控制方程進(jìn)行簡化。 在電池組內(nèi)，冷卻空氣的流動(dòng)速度遠(yuǎn)小于聲速，可視為不可壓縮流體。事實(shí)上，連續(xù)介質(zhì)的流體運(yùn)動(dòng)是一個(gè)無限的信息系統(tǒng)，而 計(jì)算機(jī) 的內(nèi)存和 其所能 表示的數(shù)位都是有限的，數(shù)值模擬只能通過流場中按一定規(guī)律排列的有限 數(shù)量的 點(diǎn)（網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)）信息近似表示整個(gè)連續(xù)的流場。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算流體力學(xué)近年來發(fā)展迅速。實(shí)驗(yàn)研究方法得到的結(jié)果真實(shí)可信，是發(fā)現(xiàn)流體規(guī)律、檢驗(yàn)理論和為流體機(jī)械設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)的基本手段。理論分析的優(yōu)點(diǎn)在于 分析過程直觀 明了，具有普遍適用性。 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的目標(biāo)是控制電池溫度在正常范圍內(nèi)，在電池發(fā)熱嚴(yán)重時(shí)，加快電池 與冷卻介質(zhì)的熱量傳遞， 使 熱量盡快的 排出 電池組外。h 是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， Tw 是物體表面溫度 是流體溫度。 其中， 流體流過 固體 表面時(shí)的熱量傳遞過程， 稱為 對流換熱。 圖 為一個(gè)一維導(dǎo)熱問題。 電池工作時(shí)， 部分熱量通過表面散發(fā)出去，導(dǎo)致電池表面溫度低，內(nèi)部溫度高，電池體內(nèi)存在熱傳導(dǎo)；而電池表面的 熱主要通過對流散發(fā)到冷卻流質(zhì)中；電池也在不斷通 過熱輻射傳熱。 本文采用了 理論分析、 CFD 仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對電池組熱管理進(jìn)行研究 。熱管理的基本方法是利用溫度較低的流質(zhì)流過電池組，吸收熱量并將熱量帶出電池組。熱管理系統(tǒng)的目的就是把多余的熱量帶走， 保持電池工作在正常的溫度范圍。 根據(jù)仿真結(jié)果反映的問題，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，完成了電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 通過理論分析和電池性能試驗(yàn)， 對鋰離子電池?zé)崮Ｐ驼归_研究 ， 建立了目標(biāo)電池的三維熱模型。電池組熱管理系統(tǒng)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的核心內(nèi)容 。 第 2 章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 13 第 2章 車用鋰離子電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化 電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電池組集成的基礎(chǔ)。為了驗(yàn)證前期研究結(jié)果，對電池系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 4）系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究 。 之后以保障電池電氣安全為設(shè)計(jì)理念，研究了電池系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)。 圖 本文主要研究內(nèi)容 3）電池管理系統(tǒng)和電氣機(jī)構(gòu)的開發(fā)。之后參考目前常見的散熱方式，確定了熱管理系統(tǒng)的第 1 章 引言 12 基本結(jié)構(gòu)，建立了系統(tǒng)的仿真模型，在 FLUENT 軟件中進(jìn)行了 CFD 仿真研究。 2）電池組機(jī) 械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。主要研究內(nèi)容如 圖 所示，包括以下幾個(gè)部分： 1） 電池性能試驗(yàn)。 本文的研究內(nèi)容 電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，提高電池工作效率、延長電池使用壽命、保障系統(tǒng)安全性是電池組集成技術(shù)研究的主要目的。 這種冷卻系統(tǒng) 利用 冷卻材料熔化或氣化過程帶走電池產(chǎn)生的熱量 。液體冷卻系統(tǒng)需要很高的密封性，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對裝配精度要求較高。常用的冷卻液有水、礦物油、乙二醇水溶液等。并流式冷卻結(jié)構(gòu)不同通道中空氣溫度與流量受結(jié)構(gòu)影響較大 ，通過優(yōu)化電池組機(jī)械結(jié)構(gòu)通常能使電池單體溫度達(dá)到較好的一致性。 串流式冷卻方式雖然各電池單體空氣流量一致，但是 在 空氣流動(dòng)過程中 ，吸收電池散發(fā)的熱量，溫度逐漸升高，冷卻能力逐漸下降，一段時(shí)間后不同電池單體的溫度出現(xiàn)差異，靠近進(jìn)風(fēng)口電池單體溫度較低，靠近出風(fēng)口處電池單體溫度較高。 根據(jù)空氣在電池組內(nèi)流動(dòng)形式的不同，空氣冷卻還可以分為串流式和并流式 [48]。強(qiáng)制對流冷卻是指利用風(fēng)扇 、 蒸發(fā)器等驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)進(jìn)行散熱。這種方法簡單易行 且成本低廉， 但冷卻效率較低。 空氣冷卻方式可以分為兩種：自然對流冷卻和強(qiáng)制對流冷卻。 目前常用的電池組冷卻方式很多，按冷卻介質(zhì)不同可以分為三類：空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻。金慧芳等 [46]建立電池的熱 濫用 模型 ， 并 申請了相關(guān)專 利。 R. Spotnitz 等第 1 章 引言 10 [45]建立的熱濫用模型耦合了電池內(nèi)多種可能存在的生熱反應(yīng) ， 仿真電池的溫度箱實(shí)驗(yàn) 。 T. D. Hatchard 等 [44]構(gòu)建熱耦合模 型 用于 仿真 溫度箱中 電池的溫度變化情況。 熱濫用模型 主要用于電池安全性研究。研究結(jié)果表明， 只有當(dāng)聚合物電解液的薄膜電阻小于 20Ω 電 熱耦合模型 的建立需要精確了解電池內(nèi)部電流分布情況，根據(jù)電流分布確定電池內(nèi)部溫度分布。主要 從 電化學(xué)反應(yīng)生熱的角度描述電池 的發(fā)熱 。 在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究中使用較多。研究人員建立了各種電池的二維模型，研究不同散熱情況下電池截面和表面溫度分布，比較了各種散熱方法的優(yōu)劣 [3840]。 利用一維模型，研究人員研究了相變材料在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的應(yīng)用 和 極化內(nèi)阻的測量方法 [36, 37]。很多研究人員利用集中質(zhì)量模型，研究了電流密度、正負(fù)極材料屬性、導(dǎo)熱系數(shù)等因素對電池溫度的影響，取得了一系列研究成果，并發(fā)現(xiàn)：在大電流下電池的不均 勻性影響顯著，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)偏差，說明集中質(zhì)量模型不適合研究大電流下電池溫度分布 [3335]。 按 照 模型維度 ，熱模型可分為 集中質(zhì)量模型、一維模型、二維模型和三維模型 [32]。 目前鋰離子電池?zé)崮Ｐ?的研究 不斷發(fā)展，研究人員 提出了很多種模型 。 因此，在車用電池組中加入熱管理系統(tǒng)很有必要。 由于空間位置不同，各電池單體的溫度也存在差異。 電池組熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 在電動(dòng)汽車上， 電池經(jīng)常需要進(jìn)行大電流的充放電，在此過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱 量 。 近年來，電池 SOH（ StateofHealth, 健康狀態(tài)）和 SOF（ StateofFunction, 功能狀態(tài)）的估 計(jì)吸引了很多研究者的關(guān)注 [2830]，但尚未在成熟的產(chǎn)品上 得到 實(shí)現(xiàn)。 深圳派司德公司生產(chǎn)的 BSB1023 型電池管理系統(tǒng) [26]可以檢測 410 路單體電壓，實(shí)時(shí)監(jiān)測電池組總電壓、總電流和溫度， 還能實(shí)現(xiàn)單體電壓均衡。通過對系統(tǒng)失效方式和嚴(yán)重程度的研究， 確定了故障檢測方法和應(yīng)對措施，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電池管理系統(tǒng)的 OBDII 系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。子控制單元采集單體電壓和溫度，主控制單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)整體控制，并進(jìn)行總線電流和電壓采集。 2022 年國家 863 計(jì)劃首批研究課題立項(xiàng)，很多高校和汽車企業(yè)成立了項(xiàng)目組進(jìn)行電池管理系統(tǒng)的研究，部分產(chǎn)品已經(jīng)在實(shí)車上應(yīng)用。該 系統(tǒng)的主要功能有：測量單體電壓、溫度和電流；過度充電檢測，防止過度充電；放電極性反向報(bào)警；電池信息保存；剩余電流估算。 BADICOACH 電池管理系統(tǒng)以 BADICHEQ 為基礎(chǔ)，改進(jìn)了單體電壓測量方法，并能將狀態(tài)較差的電池單體信息顯示出來。其中電池管理系統(tǒng)的主要功能有：單體電壓檢測、電池組電流 測量、高壓斷電保護(hù)、過放電報(bào)警、剩余電量估計(jì)和絕緣監(jiān)測等。 1） EV1 的電池管理系統(tǒng) [21] 通用公司的 EV1 電動(dòng)汽車由 26 個(gè)鉛酸