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电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化


2012 年( 第 34 卷) 第 1 期

汽 车 工 程 Automotive Engineering

2012 ( Vol. 34 ) No. 1

2012017

电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化
刘振军, 林国发, 秦大同, 胡明辉, 林歆悠
( 重庆大学, 机

械传动国家重点实验室, 重庆 400044 )

*

[ 摘要] 建立了电动汽车锂离子电池组的三维散热模型 。 对电动汽车匀速行驶且自然风冷时锂离子电池组 的温度场分别进行了仿真和测试, 结果表明, 两者温度变化趋势基本一致, 反映了所建温度场模型的合理性 。 在此 基础上, 提出了锂离子电池组散热结构的优化方案并进行了仿真分析, 优化后锂离子电池组的散热良好: 电池组的 最高温度从 46℃ 降至 33℃ , 电池之间的温差在 6℃ 以内。

关键词: 电动汽车; 锂离子电池; 自然风冷; 温度场; FLUENT

A Study on the Temperature Field of Lithiumion Battery Pack in an Electric Vehicle and Its Structural Optimization
Liu Zhenjun,Lin Guofa,Qin Datong,Hu Minghui & Lin Xinyou
Chongqing University,State Key Laboratory of Mechanical Transmission,Chongqing 400044

[ Abstract] A threedimensional heat dissipation model is built for the lithiumion battery pack in an electric vehicle. Both simulation and test are conducted on the temperature field of lithiumion battery pack in a condition of cruise driving and natural air cooling with a result showing their consistancy in temperature variation trend,meaning the rationality of the model built. On this basis an optimization scheme for the heat dissipation structure of lithiumion battery pack is proposed and a simulation is performed. The results indicate that after optimization,lithiumion battery pack has a good cooling effects: the highest temperature of battery pack lowers from 46℃ to 33℃ and the temperature difference among the batteries is less than 6℃ . Keywords: electric vehicle; lithiumion battery; natural cooling; temperature field; FLUENT 键。目前, 车上电池组散热一般采用风机抽吸式冷

前言
目前, 节能环保汽车的开发, 已受到各国政府和 各大汽车公司的高度重视
[1 ]

却结构

[2 - 3 ]

。这类结构的缺点是抽风机或吹风机本

身消耗电池电量, 降低了电池的利用功率, 缩短了汽 车的续驶里程。 如果利用自然风冷方式, 当汽车行 驶时, 利用周围空气与汽车的相对运动, 可对锂电池 组起到冷却作用。本文中从不消耗电池电量的自然 风冷结构入手, 运用计算流体力学方法对锂离子电 池组自然风冷时的温度场进行建模和仿真分析, 提 出了使电池组的温度场均匀的优化方案 。 , 其中电动汽车已成为

主要的发展方向之一。电池是电动汽车的核心部件 之一, 而锂离子电池因具有电压高、 比能量高、 比功 率大、 循环性能好和自放电低等优点, 成为电动汽车 和混合动力汽车的主导电源。但锂离子电池在充放 电过程中产生的大量热量, 会导致电池内部温度升 高和单体电池之间温度不均匀, 造成电池性能不稳 定, 严重时甚至影响到电池的使用安全和寿命。 因 此, 电池组的散热和温度控制是保证电池性能的关

1
1. 1

锂电池组温度场仿真
电池组几何模型

* 国家高技术研究发展计划 “863 ” 2010AA6046 ) 资助。 项目( 2006AA11A107 ) 和重庆科技攻关计划项目( CSTC, 原稿收到日期为 2010 年 11 月 19 日, 修改稿收到日期为 2011 年 4 月 12 日。

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刘振军, 等: 电动汽车锂电池组温度场研究及其结构优化

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本文中的研究对象是国内某汽车公司最新开发 的纯电动汽车用锂离子电池组。 单体电池的尺寸 ( 长 × 宽 × 高) 为 217. 5mm × 142mm × 67mm, 电池壳 体厚度为 1. 5mm。电池组由 56 个单体电池组成, 单 体电 池 间 隙 为 2. 5mm,电 池 箱 的 整 体 尺 寸 为 1 054mm × 580mm × 300mm, 板 厚 为 2mm。 单 体 电 池在电池箱内的排列方式如图 1 所示, 双层排列, 上 前后排间隙为 16. 5mm。 汽车沿 下层间隙为 10mm, 着箭头相反方向行驶, 根据此时运行车速可折算出 作用在电池组上的风速。

( 2) 反应热为 Q1 = 0. 010 4 QI : Q 式中 为化学反应过程正负极产热量的代数和, kJ / mol; I 为放电电流, A。
2 极化热为 Q2 = I R p 式中 R p 为极化内阻, Ω。

( 3) ( 4) ( 5) ( 6)

电池放电过程中总内阻 R t = R p + R e 式中 R e 为电子流动过程中内阻, Ω。
2 焦耳热为 Q3 = I R e 电池总发热量为 Q z = Q1 + Q2 + Q3

当锂离子电池温度达到 70 ~ 80℃ 时, 反应热占 电池总产热量的绝大比例; 而在低于上述温度充放 电时, 焦耳热占较大比例。 一般锂离子电池的正常 因此, 锂离子电池正常工作 工作温度为 - 20 ~ 65℃ , 时的发热量主要由极化热和焦耳热组成 。 Q z = I2 R t = Q2 + Q3 ( 7)

单位面积电池自身发热功率, 即热流密度为 2 qs = I Rt / S ( 8) m2 。 式中 S 为单体电池上发热面面积, 1. 4 计算网格 在对锂电池组进行温度场建模和数值模拟时, 提出 4 个假设条件: ①在散热系统内部流场中, 流体 看成理想不可压缩流体; ② 流体与固体间无相对滑 动; ③流体的惯性力忽略不计且边界压力为 0 ; ④ 忽 略散热系统的结构热变形。 对电池组模型进行必要的简化后, 选取其 1 /4 作为几何模型。 周围空气网格模型是无限大的, 因 受计算机配置的限制, 只考虑电池组周围 200mm 内 的范围。计算网格的生成使用 FLUENT 公司开发的 Gambit 网格生成工具, 采用结构化网格, 生成的网格 如图 2 所示, 网格数约有 220 万个。

图1

锂离子电池组几何模型

1. 2

电池组的散热模型 4] 文献[ 中运用电池热模型研究电池的热管理

问题, 电池热模型的实质是电池内部各微元体的能 量守恒方程。假设组成电池的各种材料介质均匀、 密度一致; 同一材料的比热为同一数值、 同一材料在 ; 电池 同一方向各处的传热系数相等 电池充放电时, 内部各处电流密度均匀
2 [5 ]

。基于以上假设可得电池
2 2

组直角坐标系三维非稳态传热模型为 ?θ ? θ ? θ ? θ = λx 2 + λy 2 + λz 2 + Qz ( 1) ?t ?x ?y ?z 式中: ρ 为传热介质密度; C P 为比热; θ 为温度; t 为 Y、 Z 的传热系数; Q z 为生热 λy 、 λ z 为沿 X 、 时间; λ x 、 ρC P 量。计算电池内部温度场的实质是求解式 ( 1 ) 所示 的传热微分方程。求解上述方程须解决 3 个关键问 CP 、 题: ( 1 ) 生热量的准确表达; ( 2 ) 热物性参数 ρ、 λ ; ( 3 ) ( 的准确获取 定解条件 初始条件和边界条件 ) 的准确确定。 1. 3 电池生热量 电池的生热量主要由反应热、 极化热、 副反应热 因为充 和焦耳热 4 部分组成。 对于镍氢电池来说, 放电过程中有氧气析出, 不可避免地会与氢气发生 反应, 产生副反应热。而对于锂离子电池来说, 这部 分热量几乎为零, 因此电池内部反应热只考虑剩下 [6 - 7 ] 。 的 3 部分热量

图2

电池组散热系统网格模型

1. 5

边界条件、 初始条件和求解器

将流体和固体界面设置为耦合传热固壁边界, 当电池放电电流为 30A、 车速为 100km / h 时, 电池组 和空气的相对速度为 25m / s, 即为电池组迎风速度。 初始温度取为 27℃ , 电池壳体材料为不锈钢, 单体

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电池之间气体为空气, 电池组密封, 箱体材料为不锈 。 ( 8 ) , 钢 根据式 算得电池组的热流密度为 26. 34W / s2 。所有流体视为单一流体介质, 采用 kε [8 ] 湍流模型。各介质的物性参数见表 1 。 表1
材料名称 空气 不锈钢 密度 ρ / ( kg·m - 3 ) 1. 165 8 030

由图 3 和图 4 的仿真结果可知, 电池温度分布 , 19℃ 。 不均匀 温升达到 电池箱体中心处电池表面 边缘处电池表面温度最低为 温度 最 高 为 46℃ , 32℃ , 温差为 14℃ 。这是由于电池箱和周围空气接 触, 与中心位置的电池相比, 电池箱周边电池的对流 散热条件好。电池组工作时, 箱体内部 换热系数大、 边缘的空气通过箱体与外界空气进行热交换, 使箱 体边缘位置的电池表面温度相对较低 。 而箱体内部 空气不流动, 不能将热量及时带走, 造成热量积累, 因此箱体中心位置电池表面温度最高 。

介质物性参数
比热 C p / ( J·kg - 1 ·K - 1 ) 1 005 502. 48 导热系数 λ / ( W· m - 1 · K - 1 ) 0. 027 6 16. 27

电池组箱体导热过程可认为是典型的耦合传热。 求解耦合传热问题的有效方法是整场离散和整场求 [ 9 ] 解 , 把不同区域中的热传递过程组合起来作为一个 统一的换热过程。流体部分和固体部分直接耦合, 使 用相同的离散规则和数值方法进行迭代计算。压力、 动量和能量的离散方法采用 2 阶迎风格式, 动量方程 [ 10 ] 中的压力和速度耦合方法采用 SIMPLE 算法 。

3
3. 1

电池组温度场测试
测试系统和测试条件

为评价纯电动汽车锂离子电池箱散热模型的合 理性和验证仿真结果的正确可靠性, 对纯电动汽车 原始锂离子电池组进行了温度场试验 。 测试系统采 用德国申克公司研发的汽车道路模拟试验系统 。 该 系统主要由 3 大部分组成: 环境舱控制系统、 底盘测 功机和数据采集系统。试验在某企业技术中心的整 电池组温度测试系统 车性能实验室环境舱中进行, 主要由 T 型热电耦、 单片机 PIC16F877 、 热电耦温度 多路转换开关芯片 ADG608 、 补偿放大芯片 AD595 、 A / D 转 换 芯 片 ADS8320 和 串 口 通 信 控 制 芯 片 MAX487 等组成。温度传感器的布置是电池组温度 测试的关键, 温度传感器数目多, 有测温全面的优 点, 但会增加试验成本和散热系统的压力损失。 考 虑到电池组的对称性和温度分布不一致, 温度传感 器有可能失效, 布置的温度传感器数量又不能太少 。

2

仿真结果分析

当计算结果收敛时, 仿真计算得到的电池组内 3 4 部温度分布如图 和图 所示。

图3

电池组温度云图

温度传感器在电池箱体内部单体电池表面的布置如 图 5 所示。分别调节环境实验舱的环境温度和风速 至规定值: 27 ± 2℃ 和 25m / s。 设定电池组的放电电 流为 30A, 电动车以 100 ± 5km / h 的车速运行。

图5 图4 电池组对称面处温度云图

电池上表面温度传感器布置图

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3. 2

测试结果分析

4. 2

温度场仿真

在电池组温度平衡时得到的单体电池温度如图 6 所示, 取电池模块在整个试验工况中的温度最高 值和相应的仿真结果进行对比分析 。

电池箱改进后的电池组温度仿真结果如图 8 和 图 9 所示。

图8

改进后电池组速度云图

图6

电池组电池上表面实测温度和仿真温度对比

从图 6 可看出, 实测温度的分布和仿真温度分 布趋势基本吻合。说明本文中所建立的电动车锂离 子电池组模型合理和准确。但仿真结果普遍高于实 测温度, 这是因为仿真时, 所选取的空气流速和实车 行驶时折算的空气流速有一定的误差 。

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4. 1

电池组结构改进和温度场仿真
结构改进方案 因电池组 通过对原始模型的研究和分析可知,

图9

改进后电池组温度场云图

从图 8 和图 9 可清晰看到, 气流从进风口进入 穿过各个单体电池间的缝隙, 气流与电 电池组内部, 池外壳进行换热, 流动过程中逐步被加热, 流经出风 口及时将部分热量带走, 起到冷却作用。 其中电池 组中间的几个缝隙因为流动阻力较小, 流速比两边 缝隙快, 换热系数大, 因此中间位置的电池温度也相 对较低。边缘两侧的电池因靠近外界空气。 散热条 温度也较低。 如图 10 所示, 电池表面温度最 件好, 高为 33℃ , 出现在电池组左右各 1 /4 处的位置。 电 池组散热效果改进前后比较结果见表 2 。

内部空气不流动和电池底部直接与箱体接触, 造成 电池的温度不均匀。 改进方案为: 在电池箱体前后 尺寸为 280mm × 2. 5mm × 2mm, 当电 断面开通风口, 空气通过前面的通风口进入电池组箱 池组迎风时, 体内部, 气流在各个单体电池间隙流动进行热交换 之后, 从后面的通风口出来, 把热量带走, 降低温升, 实现温度的均匀性。通风口位置如图 7 所示。 在电 各个单体电池之间的间隙形成通风道 。 池箱内部,

图7

改进后的电池组进出风口位置

图 10

改进后电池组最高温度处温度场云图

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2012 年( 第 34 卷) 第 1 期

表2
项目 最高温度 / ℃ 温差 / ℃

电池组散热效果改进前后比较
改进前 46 14 改进后 33 6 改进效果 - 13 -8

温升下降了 13℃ 。电池之间的温 从 46℃ 降至 33℃ , 6℃ , 差控制在 以内 均匀性显著提高。 参考文献
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从表 2 可看出, 在开了进风通风口之后, 电池组 最高温度从 46℃ 降至 33℃ ; 电池 的温升明显下降, 之间的温差也从 14℃ 降至 6℃ , 均匀性显著提高。

5

结论

( 1 ) 利用 FLUENT 软件对锂离子电池组的温度 场进行了建模和仿真分析, 计算出了各电池壳体外 表面的平均温度、 最高温度和最大温差, 并和试验值 , , 进行了比较 结果吻合良好 说明该模型能较好地反 映电池组的温度场分布情况。 ( 2 ) 原 始 电 池 组 的 温 升 较 高, 最高温度达 46℃ ; 均匀性较差, 温差达到 14℃ , 影响电池组的使 用性能。主要是因为电池组内部空气不流动, 换热 造成热量积累、 温度分布不合理。 系数低, ( 3 ) 提出了改进方案, 通过在电池组箱体前后 可使气流进入电池组内部各个 端面增加进出风口, 单体电池之间的缝隙, 提高了换热系数, 改善了电池 组内部的温度场, 带走了热量。 电池组的最高温度

??????????????????????????????????????????????? ( 上接第 50 页)
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