摘要：純電動(dòng)汽車(chē)電池組熱管理是保證電池組性能的關(guān)鍵。本文主要研究了電池在工作過(guò)程中，由于熱積聚而導(dǎo)致的電池散熱問(wèn)題，為了方便仿真本文對(duì)電池模型進(jìn)行了有效簡(jiǎn)化。通過(guò)對(duì)模型工作環(huán)境的分析，對(duì)于電池在不同入口流量、不同放電倍數(shù)條件下，工作時(shí)的溫度分布。通過(guò)對(duì)電池模型進(jìn)行簡(jiǎn)化改進(jìn)及網(wǎng)格劃分，對(duì)電池進(jìn)行工作熱集中情況進(jìn)行仿真研究，力求得到與實(shí)際相近的結(jié)果，為電池散熱方式的研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：電池；熱管理；仿真分析
電池組熱管理是保證電池組工作、維持其工作壽命和工作性能的關(guān)鍵。因此，高效的熱能管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)具有十分重要的作用。
１ 電池組溫度場(chǎng)仿真分析
根據(jù)特斯拉汽車(chē)電池組的結(jié)構(gòu)拆裝研究，在電動(dòng)車(chē)實(shí)際應(yīng)用中，鋰離子電池是以組合式的方式為電動(dòng)車(chē)供電的。特斯拉的Model-S電動(dòng)車(chē)采用了7104節(jié)18650號(hào)鋰電池。在電池板上，7104個(gè)電池組分為16個(gè)電池組，每個(gè)電池組444個(gè)電池構(gòu)成。電池板間以串聯(lián)方式連接。所以，在電池板上，每個(gè)電池的間距非常的短，并且彼此間的熱力學(xué)效應(yīng)影響非常大。所以，對(duì)電動(dòng)車(chē)電池組的熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。
1.1 鋰離子電池組建模
本文選取96節(jié)電池為一組，并以縱橫線方式串聯(lián)并聯(lián)；８×12型，每組間間隔２毫米。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更適合于在電池外面為冷卻劑提供流場(chǎng)的外殼。在實(shí)際的物理模型中，由于含有大量的電池，所以可以忽略電池的內(nèi)部構(gòu)造，只保留了一個(gè)熱源，作為一個(gè)發(fā)熱區(qū)。
模型完成后，就是開(kāi)啟液體冷卻域。根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)大小，本文對(duì)液域外殼的尺寸作了以下的規(guī)定：70×190×275mm3。外殼部分建模如圖１所示：然后，規(guī)定了液體的入口和出口，并完成整個(gè)模型組裝起來(lái)，最后得到的模型。如圖２所示：

圖1 外殼建模圖

圖2 模型裝配組合
1.2 簡(jiǎn)化后的電池組建模及網(wǎng)格劃分
為了便于運(yùn)算，將上面提到的模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的修改，將多個(gè)個(gè)體單元的整體構(gòu)造去掉，只用一個(gè)模型來(lái)表示電池組，并在其中設(shè)置了一個(gè)同樣大小的熱源，而流體區(qū)域的模型則保持原樣。在建模結(jié)束后，劃分網(wǎng)格，選擇具有良好適用性的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，該劃分效果良好。在確保計(jì)算精確性的前提下，大大縮短了模擬迭代所需的計(jì)算量。
２ 各項(xiàng)參數(shù)及邊界條件的設(shè)定

2.1 內(nèi)部熱源
仿真選擇在１Ｃ的放電情況下進(jìn)行計(jì)算。
2.2 各項(xiàng)參數(shù)設(shè)計(jì)
首先設(shè)定冷卻液的工藝參數(shù)，通過(guò)篩選，確定了冷卻液的物理性能：密度；比熱容；導(dǎo)熱系數(shù)；動(dòng)力粘度系數(shù)
2.3 邊界條件
因?yàn)槟M時(shí)存在著流體和固態(tài)之間的熱相互作用，所以必須建立一個(gè)耦合的界面。以及設(shè)定了該體系與大氣之間的自然對(duì)流率為0.5w/m.k。
３ 無(wú)液體冷卻下電池組散熱情況
經(jīng)過(guò)計(jì)算后，得到在１Ｃ放電下電池組的溫度分布。在熱源處溫度最高地方溫度為312.5（Ｋ），電池表面最高溫度為311.2（Ｋ），電池表面最低溫度為306.3（Ｋ）本次仿真是在沒(méi)有冷卻液流動(dòng)的情況下，電池組經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的放電后電池內(nèi)部的溫度分布。
4 電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析
經(jīng)過(guò)氣流散熱，電池組的熱源在運(yùn)行一會(huì)后，其內(nèi)部的最高氣溫就會(huì)高達(dá)312.6K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了它的最優(yōu)工作范圍。這意味著電池組內(nèi)的大量發(fā)熱，若不及時(shí)散熱，將導(dǎo)致大量的熱聚集，從而導(dǎo)致事故。所以需要對(duì)電池組進(jìn)行熱量的控制。通過(guò)模擬計(jì)算，可知，單靠空氣制冷是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到散熱的目的，所以，需要將對(duì)電池組進(jìn)行液態(tài)制冷，并對(duì)不同入口流速和放電倍數(shù)的電池組進(jìn)行對(duì)比。
（1）通過(guò)對(duì)電池組區(qū)域內(nèi)冷卻液進(jìn)出部位的控制，可以對(duì)制冷效率產(chǎn)生直接的作用。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，選用S形布局，以電池組兩側(cè)的出口斜向布置。
（2）湍流模型的選擇

在確定湍流方式時(shí)，我們先假定了散熱的電池組：

Ａ．當(dāng)加熱時(shí)，蓄電池的冷板沒(méi)有發(fā)生有效的變形；

Ｂ．流體與固態(tài)接觸表面的摩擦是無(wú)窮大的；

Ｃ．整個(gè)電池盒僅對(duì)內(nèi)部進(jìn)行熱交換進(jìn)行了計(jì)算；

Ｄ．沒(méi)有恒定的力和流體的邊界壓強(qiáng)。
根據(jù)假設(shè)，我們必須判定模型中的紊動(dòng)。從流體的理論基礎(chǔ)上，我們可以得出一個(gè)結(jié)論：判定湍流和層流動(dòng)的主要依據(jù)是：系統(tǒng)的雷諾數(shù)大于其閾值，超出即為紊流，而非為層流。用以下公式來(lái)表示雷諾數(shù)：

其中，V是流體平均流速，以m/s為單位；Ｌ 為特征長(zhǎng)度，以m為單位；V為流體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，以m^2/s為單位；μ為流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，以kg/m.s，計(jì)算方法如下：

上式中，μ０是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下零攝氏度流體的動(dòng)力粘度系數(shù)，其余項(xiàng)皆為常數(shù)。Ｔｓ的值為124K，T0的值為273.15K。經(jīng)過(guò)計(jì)算后，發(fā)現(xiàn)冷卻液流動(dòng)方式為湍流。
（3）邊界條件的設(shè)置
為了保證所得到的各結(jié)果具有惟一的解析性，定義了各個(gè)區(qū)域之間的界限，在模型中，所涉及到的邊界問(wèn)題有：入口、壁面、耦聯(lián)等。
Ａ．進(jìn)口邊界：根據(jù)模擬需要，將進(jìn)口邊界確定為速度－質(zhì)量流，并選取了初始質(zhì)量流0.03kg/s。
Ｂ．出口邊界：這里的出口界限是指可以反映在出口流體的壓力的壓力輸出界限。
Ｃ．壁面的邊界：本論文將冷與熱源分別設(shè)定為墻的邊緣，其表面的溫度是常溫的，同時(shí)也是0.5w/m.k的對(duì)流傳熱．
耦聯(lián)邊界：在本論文中，池殼層和冷卻液接觸表面存在著固態(tài)和液態(tài)的熱交換，所以我們選用了耦合界面。不需要設(shè)定耦合邊界，就可以實(shí)現(xiàn)軟件的自動(dòng)耦合。為了對(duì)比提高電池組在液態(tài)降溫前和降溫過(guò)程中的溫度場(chǎng)，我們選取了相同工況（放電倍率、入口流量、對(duì)流換熱系數(shù)）的觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

圖3 液體冷卻下電池組溫度分布

圖4 無(wú)液體冷卻下電池組溫度分布
從上圖中可以看出是否有液體冷卻對(duì)電池組的溫度分布具有很大的影響。
表１ 冷卻液對(duì)電池溫度的影響 

由上表可知，加入液態(tài)冷卻模式后，電池組內(nèi)部的溫度分布發(fā)生了明顯變化，散熱效果大幅提高，這是由于冷卻液在電池組和流體區(qū)域中的流動(dòng)，將大量電池組的熱量從電池組中抽走，從而使電池組獲得了高效的熱管理。
5 介質(zhì)流量對(duì)熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響
電池組入口的介質(zhì)流速對(duì)散熱的電池組有很大的響。在入口介質(zhì)流量較大的情況下，散熱作用較好；現(xiàn)代的電動(dòng)車(chē)在控制媒體流方面有了很高的技術(shù)，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的運(yùn)行狀態(tài)，并在升溫的時(shí)候增加冷卻液的流量，加快電池組的冷卻，消除工作風(fēng)險(xiǎn)；在降溫過(guò)程中，減少冷卻液的流速，減少相應(yīng)的損失。所以，本文將觀察冷卻液的流速改變對(duì)散熱的作用。為便于模擬，我們選取三個(gè)差別比較大的流場(chǎng)，即0.003、0.03、0.3（單位為kg/s），為進(jìn)一步的模擬，我們選用3c的電流比來(lái)模擬，所得的數(shù)據(jù)差別更為顯著。以下是具體仿真結(jié)果：
3c放電倍率下入口流量為0.003kg/s時(shí)的溫度分布圖，如下圖５，圖６所示：

圖5 電池表面溫度

圖６ 電池內(nèi)部最高溫度
3c放電倍率下入口流量為0.03kg/s時(shí)的溫度分布圖，如下圖7，圖8所示：

圖７ 電池表面溫度圖

圖8 電池內(nèi)部最高溫度
3c放電倍率下入口流量為0.3kg/s時(shí)的溫度分布圖，如下圖９，圖10所示：

圖9 電池表面溫度

圖10 電池內(nèi)部最高溫度
表2 不同入口流量情況下電池溫度分布

通過(guò)對(duì)表２的分析，可以得出：在同樣的放電比條件下，進(jìn)氣流量較大的散熱效應(yīng)更為顯著。表２中有兩個(gè)地方的最低氣溫大致相同，這是由于電池表面經(jīng)過(guò)了足夠的散熱之后，最低氣溫會(huì)到達(dá)正常的水平，所以在最小的溫差上沒(méi)有顯著的差別。
6 不同放電倍率對(duì)熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響結(jié)果
本文選擇３組數(shù)據(jù)，即放電1c，2c，3c時(shí)，冷卻液的流速為0.03ｋｇ／ｓ，模擬３組數(shù)據(jù)計(jì)算后，比較電池的溫度分布，因?yàn)?c放電時(shí)的溫度分，2c放電情況下電池內(nèi)部溫度，3c放電情況下電池內(nèi)部溫度，最終結(jié)果如表３所示：
表3 不同放電倍率對(duì)電池溫度的影響

通過(guò)仿真模擬計(jì)算分析，可知在不同的充放電比下，電池組工作一段時(shí)間后，電池的最高溫度會(huì)急劇升高，如果沒(méi)有有效的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行快速散熱就會(huì)造成電池的損壞及車(chē)輛的無(wú)法行駛。
7 總結(jié)
本文的研究重點(diǎn)在于電池組工作一段時(shí)間后產(chǎn)生熱積累時(shí)的散熱問(wèn)題。本論文主要采用理論分析和Fluent仿真相結(jié)合的方法，研究了不同環(huán)境溫度下的電池內(nèi)部溫度分布情況，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。電池組內(nèi)部的熱量堆積將會(huì)引發(fā)一系列嚴(yán)重的問(wèn)題，特別是在電池組中電芯要承受各種熱量包括工作熱量及電池間的流動(dòng)熱量。所以，為了保證電池組的工作性能和使用壽命，電池組始終保持在一個(gè)合理的工作溫度區(qū)間，這樣既能保證電池的使用壽命，又能降低電動(dòng)車(chē)的事故率。本文通過(guò)對(duì)電池組的溫度分布和單體的物理性質(zhì)的分析，為電池組的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。
作者：殷鵬翔
作者單位：晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院