电动汽车锂离子电池组散热优化设计

摘要：针对电动汽车锂离子电池组散热不均匀会影响电池组使用性能、可靠性和安全性的问题，对电池组散热方案进行优化设计.描述锂离子电池的产热模型，建立锂离子电池组三维模型，介绍计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）计算涉及到的固体热传导和流体热传导控制方程；通过进风口角度的选择、进风口流速的选择、鼓风冷却和抽风冷却的对比以及锂离子电池局部倒角的选择确定几种散热方案，使用FLUENT进行数值仿真并得出各方案的总体流场特性、局部流速和温度分布情况. 通过对各散热方案的对比和评估，发现当进风角度达到3°时，温度最高点和均匀性有明显改善；在一定的速度范围内，提高进风口流速可以很好地改善系统的散热效果，但是当进风口流速超过某一范围(30 m/s)时，散热效果递增不明显；对于相同的散热结构，鼓风冷却效果明显优于抽风冷却效果；通过电池组局部倒角等局部微小结构可以实现温度场优化.

关键词：电动汽车；锂离子电池组；温度场；散热；FLUENT

中图分类号：U469.72；U473.4；TB115.2 文献标志码：A

Optimization design on heat dissipation of

lithiumion battery pack in electric vehicle

YANG Zhiganga, HUANG Shena, ZHAO Lanpingb

(a. Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji University, Shanghai 201804, China;

b. College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract： To solve the effect of nonuniform heat dissipation on performance, reliability and security of electric vehicle lithiumion battery pack, optimization design schemes are proposed for battery pack. The thermal model of lithiumion battery is described, a 3D model for lithiumion battery pack is built, and the control equations of solid and fluid heat conduction in Computational Fluid Dynamics(CFD) calculation are introduced. Several heat dissipation structures are determined by selection of different inlet angles and velocities, comparison of blowing cooling and suction cooling, and selection of local rounds. For these structures, the general flow field characteristics, local flow velocity and temperature field distribution are simulated by FLUENT. The comparison and evaluation indicate that, the maximum temperature decreases and the uniformity of temperature distribution is obviously improved when the inlet angle reaches 3°; the heat dissipation performance is improved as inlet velocity rises in proper range, but if the velocity is greater than 30 m/s, the heat dissipation performance is not improved obviously; for the same heat dissipation structure, blowing makes better cooling effect than suction; and the change of local little structures such as local rounds can perform temperature field optimization.

Key words： electric vehicle; lithiumion battery pack; temperature field; heat dissipation; FLUENT

0引言

动力电池作为电动汽车的能源部分，对整车性能有着重要的影响.目前，市场上的电动汽车多采用具有比能量高、比功率高、寿命长和污染少等优点的蓄电池驱动，尤以镍氢电池和锂离子电池为主流.其中，锂离子电池以其电压高、体积小、比能量高、循环性能好、自放电小和无记忆效应等，受到众多汽车厂商的重视.

一般情况下，在汽车设计时留给动力电池的空间很有限，同时车用锂离子动力电池在充放电过程中会伴随很大的热流量，如果不及时散热，很容易引起电池内的热量累积，影响电池的性能和安全.如果散热不均匀，更会造成电池组内温差很大.电池组温度场不均匀将造成各电池模块、各单体电池性能的不均衡，最终影响整个电池组的使用性能和可靠性.因此，为使动力电池系统能更好地发挥性能，同时保证安全，有必要对电池散热方案进行优化设计.

在此之前，很多研究工作者已经对锂离子电池组的总体布局进行系统的实验仿真研究，也提出各种优化方案［1-2］，其中，并行风冷的方法由于其较高的散热效率、较好的散热均匀性以及较低的成本得到广泛应用，本文对并行通风的散热性能作进一步探讨.

1锂离子电池的产热模型

锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等构成.电池的负极是碳素材料，如石墨等；正极则是含锂的过渡金属氧化物及其掺杂化合物，如LiCoO2和LiMnO2等.

电池充放电时的化学反应式为

LiMO2+6C充电放电Li1-xMO2+LixC6(1)

式中：M为Co，Mn和Fe等.图1为锂离子电池的工作原理示意［3］，图中标示运动箭头的小球为从正极的复合氧化物中脱出的Li+.锂离子电池在工作过程中会以各种方式产生或吸收热量，这些热量会引起锂离子电池本身的温度不断变化，若热量得不到很好的处理以致热散逸率小于热生成率，则会导致热失控.电池内各种过程产生的热量包括极化热和化学反应热，相对于极化热，锂离子电池的反应热相对较小. KIM等［4］用微量热计表征LixMn2O4的热行为.当充电倍率小于1C时，热过程可逆；大于1C时，热行为受不可逆过程控制(欧姆阻抗和过电位).电池的热过程遵循以下方程QT=Qe+Qa(2)式中：QT为电池内产生的总热量；Qe为电池传递到外界的热量；Qa为电池自身吸收的热量，它直接影响电池的温度升降.本文工作就是在强制风冷的工作环境下，通过散热方案的优化，尽可能增大Qe，从而减小Qa.

图 1锂离子电池的工作原理

Fig.1Working principle of lithiumion battery

本文假设电池本身产生的热量在空间上分布均匀，为实现电池组温度场的均匀分布，应该保证由对流换热带走的热量在空间上分布均匀.对于电池表面的局部对流换热，由牛顿冷却公式可得q=h(TB-T0)(3)式中：q为电池表面单位面积的热流量，正值表示电池放热，负值表示电池吸热；TB为电池表面局部温度；T0为冷却介质局部温度；h为电池表面局部传热系数.本文通过改良散热结构，控制h的大小以及h在流场内分布的均匀性，实现对散热系统的优化.

2计算模型的建立

2.1对研究对象建模

建立动力电池系统的数学模型是计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)仿真的必要条件.本文选取某款较为典型的车载锂离子电池为研究对象进行建模.为节约计算资源，提高运算速度，在保证能真实反映内部流场特性的前提下，对模型进行一定的局部简化，并只取其中一个电池包体作为模拟对象.建立的简化模型见图2（本文选取某款18 A•h锂离子电池，电池单体尺寸为18 mm×65 mm×150 mm，间隙为4 mm，一个电池包体包含10节电池）.

图 2锂离子电池组三维模型

Fig.23D model of lithiumion battery pack

2.2CFD计算的控制方程

本文涉及到固体的热传导以及流体的热传导和对流，需用到如下控制方程［3］

(1)有内热源的固体导热控制方程Tt=λρc2Tx2+2Ty2+2Tz2+Qρc(4)(2)冷却空气的控制方程，包括：质量守恒方程郸血t+div(ρuU)=0(5)动量守恒方程(ρu)t+div(ρuU)=div(μgrad u)-px+Su

(ρv)t+div(ρvU)=div(μgrad v)-py+Sv

(ρw)t+div(ρwU)=div(μgrad w)-pz+Sw(6)能量守恒方程

(ρT)t+div(ρuT)=divkcgrad T+ST(7)

式中：u,v和w为速度U在x,y和z方向上的分量；T为温度；t为温度变化的时间；Q为固体内部生成热；c为比热容；λ为热导率；ρ为流体密度；μ为流体的动力黏度；p为流体微元体上的压力；Su,Sv和Sw分别为动量守恒方程的广义源项；ST为流体的内热源以及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分，有时也称为黏性耗散项；k为流体的传热系数.

采用低雷诺数k拨磐牧髂P停关于k和ε的输运方程为(ρk)t+(ρkui)xi=氮xjμ+μtσkkxj+Gk－ρε-2μk0.5n2

(ρε)t+(ρεui)xi=氮xjμ+μtσε郸弄xj+C1εεkGk|f1|-C2ερε2k|f2|+2μμtρ2un22(8)

式中：n为壁面法向坐标；u为与壁面平行的流速；μt为湍动黏度；k为湍动能；ε为耗散率；Gk为由于平均速度梯度引起湍动能的产生项；C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3为经验常数.

3各个方案的内部温度场分析

通过以下4个途径对锂离子电池组的散热性能作进一步研究：进风口角度θ(散热结构上挡板与水平面的夹角)的选择；进风口流速υ的选择；鼓风冷却与抽风冷却的对比；锂离子电池局部倒角r（根据初步的热流场分析，局部倒角的位置选在右边第一块与第二块电池的右上角）的选择.用FLUENT对各种方案进行仿真，得每种方案的总体流场特性和局部的流速与温度情况，从而对散热方案的效果进行对比和评估.本文FLUENT计算采用基于压力的算法和低雷诺数k拨磐牧髂P.所选锂离子电池的平均热导率为1.04 W/(m•℃)，平均比热容为932.149 J/(kg•℃)［3］，标定电压为3.8 V，容量为18 A•h，锂离子电池设置为稳定发热的热源，电池与冷却空气的接触面设置成表面发热量为0的耦合边界.

3.1进风口角度的选择

本文采用并行通风冷却的办法，在进出口条件不变的情况下，各种进风口角度θ对应的温度场分布［6］见图3，可知，电池组的散热效果并非简单地随进风角度的增大而增强.根据电池温度场的分布图，选取每个电池内部温度接近最高值的点作为观察点进行分析，温度点选取见图4，图中所示的10个圆就是对应的监测点位置.图5为4种进风口角度下的各个选取测点的温度分布，可知，进风口角度θ为0°，1°和2°时冷却效果相当，3°时才有略微改善，说明在本文所采用的电池组中，进风口角度对散热效果的提升不是很理想.(a)θ=0°(b)θ=1°(c)θ=2°(d)θ=3°图 3进出口条件不变的情况下各进风口角度对应的温度场分布

Fig.3Temperature field distribution under different inlet angles while inlet and outlet conditions are not changed

图 4温度监测点

Fig.4Temperature inspection points

图 5不同进风口角度下各点温度分布

Fig.5Temperature distribution of all inspection

points under different inlet angles

3.2进风口流速的选择

不同进风口速度下各监测点温度见图6.

图 6不同进风口速度下各监测点温度

Fig.6Temperature of all inspection points under

different inlet velocities

由图6可知，在25 m/s以下，电池组的散热效果随进风口流速的增加而显著增强，超过25 m/s后，流速增加对散热效果的提升就不那么显著.

15 m/s的进风口速度下鼓风冷却和抽风冷却的温度场对比见图7，可知，鼓风冷却效果比抽风冷却效果好一些.后者工况下电池的最高温度约为48.6℃，均匀度较差；前者工况下电池最高温度约为38.1℃，均匀度好很多：其原因在于下方进入的冷却空气无法均匀地进入电池间的冷却通道，导致散热不均匀.

(a)鼓风冷却(b)抽风冷却图 715 m/s进风口速度下鼓风冷却和抽风冷却的

温度场对比

Fig.7Temperature field comparison of air blasting

and air pumping while inlet velocity is 15 m/s

3.3电池组散热方案的局部优化

通过上述仿真分析可知，在鼓风冷却工况下，温度最高的测点均在第2块电池上，所以在图8所示位置作圆角处理.可知，经过局部圆角处理后电池温度的最大值降低，测点最高温度也较低，电池温度的最大值降低，均匀性也有明显提高.

图 8在电池单体上做圆角处理后的温度场

Fig.8Temperature field of single battery which is

improved by making fillet

图9中对无圆角以及圆角半径r为1 mm，2 mm，3 mm和4 mm的情况进行对比.

图 9取不同圆角半径时各点的温度

Fig.9Temperature of all inspection points under different

fillet radii由图9可知，增加圆角后温度的最大值与均匀性都有明显改善，随着圆角半径的增加，第2监测点的温度明显降低，圆角为1 mm时整体效果最佳，但电池组总体温度分布情况并未随着圆角半径的增大而继续改善.

4结论

（1）改变进风口角度对本文电池组结构的散热效果不一定有很好的提升，只有当达到3°时，温度最高点和均匀性才有明显的改善.

（2）在一定的速度范围内，提高进风口流速可以很好地改善系统的散热效果，但当流速超过某一范围（本文为30 m/s），散热效果递增不明显；对于相同的散热结构，鼓风冷却和抽风冷却的效果有差异，前者的整体效果（包括最高温度与温度场的均匀性）明显优于后者.

（3）在对电池组系统作初步热分析后，可通过改动局部的微小结构（如本文的局部倒角）实现对温度场的优化.

参考文献：

［1］杨亚联, 张昕, 李隆键, 等. 基于CFD的混合动力车用镍氢电池散热系统研究［J］. 汽车工程, 2009, 31(3): 214218.

YAN Yalian, ZHANG Xin, LI Longjian, et al. A study on the cooling system of Ni/MH batteries for hybrid electric vehicle based on CFD analysis［J］. Automotive Eng, 2009, 31(3): 214218.

［2］朱晓彤, 杨正林. 基于RAV 4的电动汽车电池组风冷系统的研究 ［J］. 轻型汽车技术, 2006(11): 1316.

ZHU Xiaotong, YANG Zhenglin. A study on air cooling system of EV batteries based on RAV4［J］. Light Vehicles, 2006(11): 1316.

［3］田爽. 锂离子电池的热特性研究［D］. 天津: 天津大学, 2007.

［4］KIM J S, PRAKASH J. Thermal characteristics of LixMn2O4 spine［J］. Electrochem SolidState Let, 2001, 4(9): 141140.

［5］王福军. 计算流体动力学分析［M］. 北京: 清华大学出版社, 2004: 811.

［6］王青松, 孙金华, 姚晓林, 等. 锂离子电池中的热效应 ［J］. 应用化学, 2006, 23(5): 489493.

WANG Qingsong, SUN Jinhua, YAO Xiaolin, et al. Thermal behavior inside lithiumion batteries［J］. Chin J Appl Chemistry, 2006, 23(5): 489493.

(编辑陈锋杰)第20卷 第3期2011年9月计 算 机 辅 助 工 程Computer Aided EngineeringVol.20 No.3Sept. 2011