基于CFD的純電動客車鋰離子電池箱散熱分析與優化

王福昂，趙 嶺，宋金香

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基于CFD的純電動客車鋰離子電池箱散熱分析與優化

王福昂1，趙 嶺1，宋金香2

（1聊城大學機械與汽車工程學院，山東 聊城 252059；2中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252059）

針對某純電動客車電池箱散熱效果不佳的問題，本文基于CFD技術以該車的電池箱散熱系統為研究對象，建立了估算鋰離子電池生熱速率數學模型，采用三維軟件UG建立電池箱的幾何模型，并利用軟件Star-ccm+對該模型的速度場和溫度場進行仿真和分析。通過添加導流板等措施，對電池箱的結構進行了優化改進，并進行了正交仿真實驗，確定了電池箱導流散熱的最優方案，結果表明，導流板能夠降低電池箱內單體電池的最高溫度，使電池組溫度分布更加均勻。

鋰離子電池；生熱速率模型；流固耦合計算

近幾年，環境污染問題和能源危機問題日益突出，這兩大難題給世界各國汽車制造業的發展帶來巨大沖擊，為了應對這兩大難題，各國政府和汽車企業都高度重視新能源汽車的研發，并投入大量資金、人力支持新能源汽車產品開發[1]。純電動汽車作為新能源汽車中最具發展前景之一的汽車，它的三大核心技術之一——電池技術一直是電動汽車發展的重要課題[2]。電池作為電動汽車上的重要動力輸出部件，其性能的好壞直接決定了整車的動力性能。

目前，新型鋰離子動力電池以功率密度高、能量密度大、使用壽命長和相對穩定性好的優勢成為新能源汽車發展的重要能量來源，鋰離子電池根據正極材料的不同又分為錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料等多種，其中磷酸鐵鋰電池由于壽命長、性價比高、安全性好的優異性能，目前被電動汽車廣泛采用[3]。如果鋰離子電池得不到及時散熱，對其放電效果一致性以及它的壽命會產生極大的負面影響。研究動力電池的溫度場變化，做好電池箱散熱分析，目的是在動力電池工作時控制好單體電池最大溫度和電池模塊整體最大溫差[4]。本工作采用三維軟件UG建立動力電池箱的幾何模型、利用計算流體力學軟件Star-ccm+進行仿真計算，通過正交實驗，得到電池箱結構改進的9種方案，并對每一種方案進行Star-ccm+仿真計算，對仿真數據進行統計處理，最終得到某純電動客車動力電池箱的散熱性能的最優方案。

1 鋰離子電池生熱模型的建立

1.1 鋰離子電池和整車相關參數

選取的鋰離子電池為某純電動客車所用的動力電池，其形狀為長方形。電池的相關參數如表1所示，整車的相關參數如表2所示。

表1 電池參數

表2 整車相關參數

1.2 鋰離子電池的三維熱模型

建立電池的三維熱模型，假設電池內部材料具有各向同性、介質均勻、電池電容為常數、不考慮電池內部的對流和輻射換熱[5]?；谝陨霞僭O與簡化采用ONDA等[6]提出的電池三維熱模型，對電池內部溫度場建立數學模型如式(1)所示

式中，為電池平均密度，為電池的質量定壓比熱容，為溫度，λ、λ、λ分別為電池內部沿軸、軸、軸方向的熱導率，為單位體積產熱速率。CHEN等[5]使用類似計算電路等效電阻的方法，可計算出λ、λ、λ的大小。

1.3 鋰離子電池的生熱速率模型

電池熱效應模型采用流體力學的方法，把電池系統內部看作一個溫度場，內部熱源均勻分布，通過建立方程并引入相關條件，采用Star ccm+軟件對鋰離子動力電池熱效應模型進行求解。當汽車勻速無坡道行駛時，傳統汽車功率平衡方程[4]如式(2) 所示

整車相關參數如表2所示，根據式(2)求得功率代入BERNARDI[7]生熱速率模型中，獲得電池放電時單位體積的生熱速率公式如式(3)所示

2 電池箱幾何模型的設計與網格劃分

2.1 三維模型的建立

空冷是電池組應用最廣泛的散熱方法，強制氣流可以通過風扇運行產生，也可以利用汽車行進中的迎面風。和其它冷卻方式相比較，空冷結構相對簡單、便于安裝、可靠性好、維護方便。對于空冷散熱系統，影響散熱的主要因素有：① 電池單體性能；② 進、出風口出風位置；③ 風機功率大??；④ 流通面積；⑤ 電池箱體材料等。動力電池箱的設計對電池組的安全至關重要，不僅要滿足防水、防塵等要求，還要保證熱管理系統引進潔凈的空氣。電池箱幾何模型如圖1所示。

圖1 電池箱幾何模型

2.2 電池箱的簡化及網格劃分

在網格劃分之前，通常會對模型進行必要的簡化，針對該電池系統結構，簡化幾何模型可以運用以下方法：① 在電池系統中的一些次要元器件,如保險、開關、電池管理系統、導線等，它們體積小，且發熱量很小，對整個流場和熱場的影響很小，可以忽略；② 為降低網格劃分難度和提高計算速度，應多使用結構化網格，因此幾何模型可以在不影響流場特性的情況下做局部修改，盡量保持規整結構；③ 如幾何結構關于平面或軸對稱，可使用對稱面邊界或周期性邊界。對電池模型簡化后，其形狀比較規則，電池系統結構可以看作對稱結構，因此可以直接用Star-ccm+軟件對簡化后的幾何模型一半進行網格劃分，其網格劃分模型如圖2所示。

3 鋰離子電池箱散熱研究

3.1 電池箱的流固耦合模型設定

采用強制通風的冷卻方式對電池系統進行散熱，如圖2冷卻空氣經過電池箱體上端的兩個進風口進入電池箱，經冷卻風道對各組發熱電池單體進行冷卻，最后由排氣風扇將冷卻空氣排出。由于在仿真和實際情況下，電池箱體的內部溫度一般在20～55 ℃之間，在此溫度區間內的空氣物性（密度、比熱容、熱導率等）變化并不大，可以用常溫下的空氣物性來代替。流體區域物理模型設定：① 冷卻空氣300 K；② 進口風速20 m/s；③ 空間模型選擇三維、時間模型選擇隱式不定式、物理屬性選擇氣體、湍流模型選擇K-Epsilon湍流；④ 氣體模型選擇空氣、密度恒定。固體區域的物理模型設定：① 電池初始溫度選擇300 K；② 空間模型選擇三維、時間模型選擇隱式不定長、物理屬性選擇固體；③ 固體模型選擇材料庫里的電池，根據電池廠家給的物理數據，對電池密度、熱導率（選擇各向異性）、比熱容進行設置；④ 電池熱源的設置選擇體積熱源，根據式(3)的計算結果進行數據設置[8]。設置結束后就可以進行仿真運算。

圖2 電池箱網格化模型

3.2 原電池箱的CFD仿真分析

以某款純電動客車的電池箱風冷散熱系統為研究對象，通過對該純電動客車極限工況下動力電池的生熱速率的理論計算，使用Star-ccm+軟件進行相關的數據設置，對該電池箱進行計算流體力學仿真運算。圖3(a)和圖3(b)可以分析出電池箱內部氣流由兩端進風口進入，大部分氣流從電池箱上部由出風口直接流出，因此造成電池箱散熱性能差；圖3(c)可以看出電池箱出風口內氣體溫度上升10 K左右，說明電池箱有一定的散熱能力；圖3(d)可以看出鋰離子電池最大溫度為326.40 K（53.25 ℃），最小溫度為317.41 K（44.26 ℃），電池間溫差為8.99 K，顯然對電池壽命造成一定影響，導致位于電池箱出風口與進風口之間的電池壽命降低。

4 改進后的鋰離子電池箱正交實驗

4.1 正交實驗設計

動力電池在純電動客車極限工況下工作時，產生較多的熱量?？梢酝ㄟ^調整電池箱空氣進口風速，改變空氣溫度提高電池箱的散熱能力；還可以在結構上改變電池箱內電池間流道尺寸、添加導流板的措施來改變電池箱內部流場，提升電池箱的散熱性能。電池箱內部導流板分為上導流板（藍色）和豎直導流板（灰色），其具體結構如圖4(a)所示，添加導流板電池箱的流線圖、速度場如圖4(b)和4(c) 所示。

圖4 改進后電池箱導流板結構以及流線、速度場圖

采用正交實驗，以更少的試驗次數，找到最優的電池箱散熱方案。本實驗如表3所示，有4個因素，每個因素取3個水平，便于后期實驗的描述，分別對4個因素用字母表示如下：電池間風道尺寸、上導流板傾角、進口風速、進口空氣溫度。選用的正交表為9（34），需采用軟件Star-ccm+進行9次實驗，正交方案及結果如表4所示。

表3 實驗因素水平

表4 實驗方案與仿真結果

4.2 正交分析及優化

極差的大小反映相應的實驗因素對實驗結果影響力的大小，極差越大表明對實驗結果的影響力越大，該因素越重要；反之，對實驗結果影響力越小，該因素重要性越小。通過對單體電池的最大溫度max、最小溫度max、溫差D三個指標進行了極差值的計算，結果如圖6所示，可以看出對電池最高溫度影響因素的主次順序為>>>，電池間溫度差的影響因素主次順序為>>>，電池最低溫度影響主次因素為>>>。由表4可知，只考慮單一因素時，最高溫度時的最優方案為2231；電池間溫度差最小時方案為2123；最低溫度時的最優方案是2231。通過以上正交實驗的多指標實驗結果分析，采用綜合平衡法得到兩種實驗方案，分別為：2131和2133[9]。對這兩種方案進行仿真計算其數據如表5所示，通過數據對比，最優方案為2133。

圖5 電池最大溫度、最小溫度和電池間溫度差極差值

5 結 論

動力電池在純電動客車極限工況下工作時，優化后的電池箱與原電池箱相比：①單體電池最高溫度降低了3.07%；②單體電池間溫度差降低了74.6%。實驗結果表明：通過調整電池箱進氣口空氣的流速和溫度，改變電池箱內空氣流動的方向，可以提高電池箱的散熱性能。

表5 綜合平衡法實驗方案仿真結果

[1] 歐陽明高. 我國節能與新能源汽車發展戰略與對策[J]. 汽車工程, 2006, 28(4): 317-321.

OUYANG Minggao. Development strategy and countermeasure of energy saving and new energy vehicle in China[J]. Automotive Engineering, 2006, 28(4): 317-321.

[2] 杜常青, 朱體剛. 電動汽車動力系統CAN網絡設計及測試分析[J]. 自動化與儀表, 2016(7): 32-39.

DU Changqing, ZHU Tigang. Design and test analysis of CAN network for electric vehicle power system[J]. Automation and Instrumentation, 2016(7): 32-39.

[3] 黃學杰. 電動汽車動力電池技術研究進展[J]. 科技導報, 2016, 34(6): 28-31.

HUANG Xuejie. An overview of EVs battery technologies[J]. Science and Technology Review, 2016, 34(6): 28-31.

[4] 裴建權, 陳群. 混合動力汽車用鋰電池包冷卻通道冷卻性能分析及其結構優化[C]//中國汽車工程學會, 2015: 111-113.

PEI Jianquan, CHEN Qun. Analysis and optimization of lithium-ion battery pack channel in hybrid electrical vehicle[C]//Society of Automotive Engineering of China, 2015: 111-113.

[5] 楊凱, 李大賀, 陳實, 吳鋒. 電動汽車動力電池的熱效應模型[J]. 北京理工大學學報, 2008, 28(9): 782-785.

YANG Kai, LI Dahe, CHEN Shi, WU Feng. Thermal model of batteries for electrical vehicles[J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2008, 28(9): 782-785.

[6] ONDA K, OHSHIMA T, NAKAYAMA M, et al. Thermal behavior of small lithium-ion battery during rapid charge and discharge cycles[J]. Journal of Power Sources, 2006, 158(1): 535-542.

[7] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985, 132(1): 5-12.

[8] 李明, 李明高, 高峰, 孔繁冰. STAR-CCM+與流場計算[M]. 北京: 機械工業出版社, 2011.

LI Ming, LI Minggao, GAO Feng, KONG Fanbing. STAR-CCM+ and flow field calculation[M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2011.

[9] 梁波, 歐陽陳志, 劉燕平, 等. 往復流散熱方式的鋰離子電池熱管理[J]. 汽車工程, 2014, 36(12): 1449-1454.

LIANG Bo, OUYANG Chenzhi, LIU Yanping, et al. Thermal management of lithium-ion battery with reciprocating air-flow cooling mode[J]. Automotive Engineering, 2014, 36(12): 1449-1454.

Heat dissipation analysis and optimization of the pure electric bus lithium-ion battery pack based on CFD

WANG Fuang1,ZHAO Ling1,SONG Jinxiang2

(1School of Mechanical and Automotive Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059, Shandong, China;2Zhongtong Bus Holding Co., Ltd., Liaocheng 252059, Shandong, China)

To solve the problem of poor heat dissipation in a battery pack of a pure electric bus, its cooling system is considered as the research object in this paper. A mathematical model is established to estimate its heat generation rate, the geometric model of power battery box is established by UG, and the velocity field and temperature field are simulated and analyzed using Star-ccm+. By adding the flow guiding plate, the battery pack is improved for better heat dissipation and the orthogonal experiments are carried out, the simulation results show that the maximum temperature of the single cell in the battery pack is reduced and the temperature uniformity between the cells is also improved.

lithium-ion battery; heat generation rate model; fluid-solid coupling calculation

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0167

TM 912

A

2095-4239（2018）02-0309-05

2017-11-22；

2017-12-17。

山東省自然科學基金（ZR2013EEQ011），山東省農機裝備創新研發項目（2017YF001），國家現代農業產業技術體系項目（CARS_24_ D_01），山東省現代農業技術體系項目（SDAIT_05_11）。

王福昂（1992—），男，碩士研究生，主要從事電池熱管理研究，E-mail：wang9fu2ang@163.com；

趙嶺，副教授，主要從事有限元技術的研究，E-mail：zhaoling@lcu.edu.cn。