电池组热管理系统仿真分析

摘要：纯电动汽车电池组热管理是保证电池组性能的关键。本文主要研究了电池在工作过程中，由于热积聚而导致的电池散热问题，为了方便仿真本文对电池模型进行了有效简化。通过对模型工作环境的分析，对于电池在不同入口流量、不同放电倍数条件下，工作时的温度分布。通过对电池模型进行简化改进及网格划分，对电池进行工作热集中情况进行仿真研究，力求得到与实际相近的结果，为电池散热方式的研究提供有力的数据支撑。

关键词：电池；热管理；仿真分析
电池组热管理是保证电池组工作、维持其工作寿命和工作性能的关键。因此，高效的热能管理系统对于电动汽车具有十分重要的作用。
１ 电池组温度场仿真分析
根据特斯拉汽车电池组的结构拆装研究，在电动车实际应用中，锂离子电池是以组合式的方式为电动车供电的。特斯拉的Model-S电动车采用了7104节18650号锂电池。在电池板上，7104个电池组分为16个电池组，每个电池组444个电池构成。电池板间以串联方式连接。所以，在电池板上，每个电池的间距非常的短，并且彼此间的热力学效应影响非常大。所以，对电动车电池组的热管理系统提出了更高的要求。
1.1 锂离子电池组建模
本文选取96节电池为一组，并以纵横线方式串联并联；８×12型，每组间间隔２毫米。这种结构设计更适合于在电池外面为冷却剂提供流场的外壳。在实际的物理模型中，由于含有大量的电池，所以可以忽略电池的内部构造，只保留了一个热源，作为一个发热区。
模型完成后，就是开启液体冷却域。根据电池的结构大小，本文对液域外壳的尺寸作了以下的规定：70×190×275mm3。外壳部分建模如图１所示：然后，规定了液体的入口和出口，并完成整个模型组装起来，最后得到的模型。如图２所示：

图1 外壳建模图

图2 模型装配组合
1.2 简化后的电池组建模及网格划分
为了便于运算，将上面提到的模型进行了简单的修改，将多个个体单元的整体构造去掉，只用一个模型来表示电池组，并在其中设置了一个同样大小的热源，而流体区域的模型则保持原样。在建模结束后，划分网格，选择具有良好适用性的网格进行划分，该划分效果良好。在确保计算精确性的前提下，大大缩短了模拟迭代所需的计算量。
２ 各项参数及边界条件的设定

2.1 内部热源
仿真选择在１Ｃ的放电情况下进行计算。
2.2 各项参数设计
首先设定冷却液的工艺参数，通过筛选，确定了冷却液的物理性能：密度；比热容；导热系数；动力粘度系数
2.3 边界条件
因为模拟时存在着流体和固态之间的热相互作用，所以必须建立一个耦合的界面。以及设定了该体系与大气之间的自然对流率为0.5w/m.k。
３ 无液体冷却下电池组散热情况
经过计算后，得到在１Ｃ放电下电池组的温度分布。在热源处温度最高地方温度为312.5（Ｋ），电池表面最高温度为311.2（Ｋ），电池表面最低温度为306.3（Ｋ）本次仿真是在没有冷却液流动的情况下，电池组经过一段时间的放电后电池内部的温度分布。
4 电池组热管理系统的设计与分析
经过气流散热，电池组的热源在运行一会后，其内部的最高气温就会高达312.6K，远远超出了它的最优工作范围。这意味着电池组内的大量发热，若不及时散热，将导致大量的热聚集，从而导致事故。所以需要对电池组进行热量的控制。通过模拟计算，可知，单靠空气制冷是远远达不到散热的目的，所以，需要将对电池组进行液态制冷，并对不同入口流速和放电倍数的电池组进行对比。
（1）通过对电池组区域内冷却液进出部位的控制，可以对制冷效率产生直接的作用。通过查阅国内外相关资料，选用S形布局，以电池组两侧的出口斜向布置。
（2）湍流模型的选择

在确定湍流方式时，我们先假定了散热的电池组：

Ａ．当加热时，蓄电池的冷板没有发生有效的变形；

Ｂ．流体与固态接触表面的摩擦是无穷大的；

Ｃ．整个电池盒仅对内部进行热交换进行了计算；

Ｄ．没有恒定的力和流体的边界压强。
根据假设，我们必须判定模型中的紊动。从流体的理论基础上，我们可以得出一个结论：判定湍流和层流动的主要依据是：系统的雷诺数大于其阈值，超出即为紊流，而非为层流。用以下公式来表示雷诺数：

其中，V是流体平均流速，以m/s为单位；Ｌ 为特征长度，以m为单位；V为流体的运动粘度系数，以m^2/s为单位；μ为流体的动力粘度系数，以kg/m.s，计算方法如下：

上式中，μ０是一个标准大气压下零摄氏度流体的动力粘度系数，其余项皆为常数。Ｔｓ的值为124K，T0的值为273.15K。经过计算后，发现冷却液流动方式为湍流。
（3）边界条件的设置
为了保证所得到的各结果具有惟一的解析性，定义了各个区域之间的界限，在模型中，所涉及到的边界问题有：入口、壁面、耦联等。
Ａ．进口边界：根据模拟需要，将进口边界确定为速度－质量流，并选取了初始质量流0.03kg/s。
Ｂ．出口边界：这里的出口界限是指可以反映在出口流体的压力的压力输出界限。
Ｃ．壁面的边界：本论文将冷与热源分别设定为墙的边缘，其表面的温度是常温的，同时也是0.5w/m.k的对流传热．
耦联边界：在本论文中，池壳层和冷却液接触表面存在着固态和液态的热交换，所以我们选用了耦合界面。不需要设定耦合边界，就可以实现软件的自动耦合。为了对比提高电池组在液态降温前和降温过程中的温度场，我们选取了相同工况（放电倍率、入口流量、对流换热系数）的观测值进行对比。

图3 液体冷却下电池组温度分布

图4 无液体冷却下电池组温度分布
从上图中可以看出是否有液体冷却对电池组的温度分布具有很大的影响。
表１ 冷却液对电池温度的影响 

由上表可知，加入液态冷却模式后，电池组内部的温度分布发生了明显变化，散热效果大幅提高，这是由于冷却液在电池组和流体区域中的流动，将大量电池组的热量从电池组中抽走，从而使电池组获得了高效的热管理。
5 介质流量对热管理系统散热效果的影响
电池组入口的介质流速对散热的电池组有很大的响。在入口介质流量较大的情况下，散热作用较好；现代的电动车在控制媒体流方面有了很高的技术，它可以实时监测电池的运行状态，并在升温的时候增加冷却液的流量，加快电池组的冷却，消除工作风险；在降温过程中，减少冷却液的流速，减少相应的损失。所以，本文将观察冷却液的流速改变对散热的作用。为便于模拟，我们选取三个差别比较大的流场，即0.003、0.03、0.3（单位为kg/s），为进一步的模拟，我们选用3c的电流比来模拟，所得的数据差别更为显著。以下是具体仿真结果：
3c放电倍率下入口流量为0.003kg/s时的温度分布图，如下图５，图６所示：

图5 电池表面温度

图６ 电池内部最高温度
3c放电倍率下入口流量为0.03kg/s时的温度分布图，如下图7，图8所示：

图７ 电池表面温度图

图8 电池内部最高温度
3c放电倍率下入口流量为0.3kg/s时的温度分布图，如下图９，图10所示：

图9 电池表面温度

图10 电池内部最高温度
表2 不同入口流量情况下电池温度分布

通过对表２的分析，可以得出：在同样的放电比条件下，进气流量较大的散热效应更为显著。表２中有两个地方的最低气温大致相同，这是由于电池表面经过了足够的散热之后，最低气温会到达正常的水平，所以在最小的温差上没有显著的差别。
6 不同放电倍率对热管理系统散热效果的影响结果
本文选择３组数据，即放电1c，2c，3c时，冷却液的流速为0.03ｋｇ／ｓ，模拟３组数据计算后，比较电池的温度分布，因为1c放电时的温度分，2c放电情况下电池内部温度，3c放电情况下电池内部温度，最终结果如表３所示：
表3 不同放电倍率对电池温度的影响

通过仿真模拟计算分析，可知在不同的充放电比下，电池组工作一段时间后，电池的最高温度会急剧升高，如果没有有效的电池管理系统进行快速散热就会造成电池的损坏及车辆的无法行驶。
7 总结
本文的研究重点在于电池组工作一段时间后产生热积累时的散热问题。本论文主要采用理论分析和Fluent仿真相结合的方法，研究了不同环境温度下的电池内部温度分布情况，并对其进行了优化。电池组内部的热量堆积将会引发一系列严重的问题，特别是在电池组中电芯要承受各种热量包括工作热量及电池间的流动热量。所以，为了保证电池组的工作性能和使用寿命，电池组始终保持在一个合理的工作温度区间，这样既能保证电池的使用寿命，又能降低电动车的事故率。本文通过对电池组的温度分布和单体的物理性质的分析，为电池组的热管理系统的设计提供一定的借鉴作用。
作者：殷鹏翔
作者单位：晋中职业技术学院