李陽(yáng)，王曉彤，陳俊俊

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010）

電動(dòng)汽車(chē)電池倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

李陽(yáng)，王曉彤，陳俊俊

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010）

利用FLUENT軟件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同尺寸的電動(dòng)汽車(chē)電池倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了電池倉(cāng)的最佳尺寸。在此條件下改變電池倉(cāng)的送風(fēng)溫度，對(duì)比電池的溫度場(chǎng)變化，獲得了最佳送風(fēng)溫度，為電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池倉(cāng)的溫度優(yōu)化提供理論依據(jù)。

電動(dòng)汽車(chē)；數(shù)值模擬；電池包；溫度場(chǎng)

電動(dòng)汽車(chē)電池作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力源，需要進(jìn)行合理的管理，以保證電動(dòng)汽車(chē)的正常運(yùn)行。電池管理系統(tǒng)主要是針對(duì)電池工作溫度的管理，因?yàn)橛绊戨姵貕勖闹饕蛩厥请姵毓ぷ鳒囟?，電池工作溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)熱失控，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起電池爆炸起火，影響電動(dòng)汽車(chē)的安全性[1]。因此必須對(duì)電池進(jìn)行合理的冷卻散熱，以保證電池的工作溫度在所要求的范圍內(nèi)且單體電池有相同的溫度分布。

一般情況下鋰離子電池的正常工作溫度范圍為－20～60℃[2]，最佳溫度為30℃。本文利用數(shù)值模擬軟件建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同尺寸的電動(dòng)汽車(chē)電池倉(cāng)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了電池倉(cāng)的最佳尺寸；在此條件下改變電池的送風(fēng)溫度，并觀察電池的溫度場(chǎng)變化，確定最佳送風(fēng)溫度，為電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池的溫度優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 電池倉(cāng)模型

1.1 幾何模型

本文采用的電動(dòng)汽車(chē)電池包由5個(gè)模塊組成，共有3672個(gè)18650型鋰離子電池，由于熱氣流浮升作用，進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在右下側(cè)，出風(fēng)口設(shè)置在左上側(cè)，電池模塊之間有連接設(shè)備、線路和次要元件，所占的空間是45mm，為方便電池裝卸和氣流動(dòng)，電池倉(cāng)左右面與電池模塊之間取一定間距，模型如圖1所示。

圖1 電池倉(cāng)的幾何模型

通過(guò)文獻(xiàn)[3]確定送風(fēng)方式為并行通風(fēng)。由于電動(dòng)汽車(chē)本身空間的限制，首先需要對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池倉(cāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，因?yàn)殡姵啬K和電池倉(cāng)的間距對(duì)電池倉(cāng)的結(jié)構(gòu)影響最大，故取其為變量，改變的取值模擬其溫度場(chǎng)，觀察其溫度場(chǎng)變化。

1.2 假設(shè)條件

（1）假設(shè)電池倉(cāng)周?chē)臏囟染鶆颍?/p>

（2）電池倉(cāng)完全封閉；

（3）在電池系統(tǒng)中的一些次要元器件如保險(xiǎn)、開(kāi)關(guān)、電池管理系統(tǒng)從控盒、導(dǎo)線等，它們體積小，且發(fā)熱量很小，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)和熱場(chǎng)的影響很小，所以忽略不計(jì)；

（4）組成電池的各種材料介質(zhì)均勻，密度一致，同一材料的熱容為同一數(shù)值，同一材料在同一方向各處的熱導(dǎo)率相等；組成電池材料的比熱容和熱導(dǎo)率不受溫度和的變化影響[4]為電池的荷電狀態(tài)，即電池的當(dāng)前容量與額定容量的百分比）；

（5）電池充放電時(shí)，電池內(nèi)核區(qū)域各處電流密度均勻，生熱率一致。

1.3 邊界條件

（1）給定入口流速；

（2）出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；

（3）近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固體壁面采用無(wú)滑移邊界。

1.4 數(shù)學(xué)控制方程

（1）鋰離子電池?zé)崮Ｐ?/p>

（2）鋰離子電池內(nèi)部生熱的確定

（3）鋰離子電池表面的對(duì)流換熱系數(shù)

2 電池倉(cāng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電池倉(cāng)采用自然通風(fēng)的方式，電動(dòng)汽車(chē)電池包的散熱量隨著車(chē)速的增大而增加，且電動(dòng)汽車(chē)多數(shù)在市區(qū)運(yùn)行，市區(qū)最高限速80 km/h。為保證電池包的散熱要求，在送風(fēng)速度80 km/h、送風(fēng)溫度38℃時(shí)對(duì)電池包的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬。電池模塊和電池倉(cāng)的間距對(duì)電池倉(cāng)的結(jié)構(gòu)影響最大，在為5、10、15、20、25、30mm時(shí)觀察其溫度場(chǎng)的變化，如圖2所示。

圖2 不同間距下電池包的溫度云圖

由于電池包的送風(fēng)口在右下側(cè)，所以電池包熱量主要集中在模塊1、2、3處。如圖2（a）所示，當(dāng)間距為5mm時(shí)，熱量主要集中在第二個(gè)電池模塊處，溫度分布不均勻，溫差較大，隨著間距的增大，氣流在電池倉(cāng)內(nèi)的流動(dòng)逐漸順暢，電池包的溫度場(chǎng)逐漸均勻，冷卻效果提高。由圖2（d）可知，到=20mm時(shí)電池倉(cāng)內(nèi)的溫度趨于均勻，隨著的進(jìn)一步增大，溫度場(chǎng)變化不再顯著?？紤]到隨著的增大，送風(fēng)速度和占用空間逐漸增大，并且消耗材料增多，但冷卻效果變換不明顯，可以確定電池包和電池倉(cāng)間距是20mm時(shí)最佳。

3 電池倉(cāng)的送風(fēng)溫度確定

不同送風(fēng)溫度下電池包的溫度云圖如圖3所示。

圖3 不同送風(fēng)溫度下電池包的溫度云圖

模擬結(jié)果如圖4所示。結(jié)果顯示，電池包的平均溫度隨著電池倉(cāng)送風(fēng)溫度的升高而升高，當(dāng)送風(fēng)溫度為28℃，則對(duì)應(yīng)的電池倉(cāng)的平均溫度為30.42℃，不能夠滿(mǎn)足電池在最佳溫度下工作；當(dāng)送風(fēng)溫度是27.5℃時(shí)，電池倉(cāng)的平均溫度是29.95℃，能夠滿(mǎn)足電池最佳工作溫度為30℃的要求，所以當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)在夏季市區(qū)工況下運(yùn)行時(shí)，電池倉(cāng)的最佳送風(fēng)溫度應(yīng)該為27.5℃。

圖4 不同送風(fēng)溫度下電池包的平均溫度折線圖

4 結(jié)論

（1）此模型的電池倉(cāng)在電動(dòng)汽車(chē)模塊和電池倉(cāng)間距是20mm時(shí)溫度場(chǎng)分布均勻且節(jié)省材質(zhì)；

（2）電動(dòng)汽車(chē)在夏季市區(qū)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該保證送風(fēng)溫度在27.5℃，此時(shí)能夠保證電池模塊在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。

[1]王澤平.電動(dòng)轎車(chē)總體設(shè)計(jì)與性能仿真研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007：1-82.

[2]楊志剛，黃慎，趙蘭萍.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2011，20(3)：1-6.

[3]黃文華，韓曉東，陳全世，等.電動(dòng)汽車(chē)SOC估計(jì)算法與電池管理系統(tǒng)的研究[J].汽車(chē)工程，2007，29(3)：199-202.

[4]裴晟，陳全世，林成濤.基于支持向量回歸的電池SOC估計(jì)方法研究[J].電源技術(shù)，2007(3)：242-245.

[5]商勇，康其越，王麗娟.動(dòng)力電池空間布局散熱優(yōu)化[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2011(6)：60-63.

Numerical simulation of temperature field in battery pack

LI Yang,WANG Xiao-tong,CHEN Jun-jun

Using FLUENT software,a correspondingmathematicalmodel was established.The temperature field in the different sizes of electric vehicle battery compartment was simulated.The optimum size of the battery compartment was got.Under this condition,the blast temperature of the battery was changed.The best supply air temperature was got.A theoretical basis for electric vehicles using lithium-ion battery compartment temperature optimization was provided.

electric vehicles;numerical simulation;battery pack;temperature field

TM 912

A

1002-087 X(2014)10-1807-02

2014-03-03

李陽(yáng)(1986—)，女，河北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣?jié)能技術(shù)。

王曉彤