扶原放，劉朝暉，張 玲，劉 萌

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司北京研究院，北京 102209）

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包散熱數(shù)值仿真研究

扶原放，劉朝暉，張 玲，劉 萌

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司北京研究院，北京 102209）

為了解決某純電動(dòng)汽車在高速工況下電池包散熱問題，以其動(dòng)力電池包和簡(jiǎn)化車體為研究對(duì)象，在STAR-CCM+軟件平臺(tái)上開展了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的散熱對(duì)比分析，提出了增加導(dǎo)熱介質(zhì)的解決方案，并選定了最優(yōu)方案進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化方法成本較低，可行性好，解決了電池包散熱困難的問題，為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的熱管理開發(fā)提供了新思路。

電池包；散熱；流固熱耦合；STAR-CCM+

動(dòng)力電池包是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響電動(dòng)汽車的動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性能。由于車輛上空間有限，某些工況下，電池在工作中產(chǎn)生的大量熱量受空間影響而累積，造成各處溫度不均勻，從而影響電池單體的一致性，影響電池的功率和能量發(fā)揮［1-6］。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，為避免熱失控發(fā)生，通常會(huì)部分限制電流功率輸出；當(dāng)?shù)竭_(dá)一定溫度，多數(shù)電動(dòng)汽車策略會(huì)完全斷電處理，從而造成車輛拋錨［7-10］。本文以某大中型電池包為主要研究對(duì)象，針對(duì)其在夏季高溫環(huán)境下、高速行駛特定工況下、大功率長(zhǎng)時(shí)間放電而造成的散熱問題，在STAR-CCM+軟件平臺(tái)上開展散熱對(duì)比分析，研究電池包內(nèi)增加不同導(dǎo)熱介質(zhì)的升溫情況，為新能源汽車開發(fā)提供參考。

1 模型前處理

為了解決某中型客車高溫環(huán)境下、連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間高速行駛工況下的散熱問題，采用CFD方法對(duì)其電池包開展散熱分析研究。以詳細(xì)電池包模型和簡(jiǎn)化車體為主要研究對(duì)象，為了能夠在STAR-CCM+軟件平臺(tái)中進(jìn)行該電池包的瞬態(tài)計(jì)算分析，需要將幾何模型處理成一個(gè)單連通區(qū)域，幾何模型包括詳細(xì)的電池本體、電池包殼體和外部安裝支架，簡(jiǎn)化了車體和底盤其它部件，并創(chuàng)建了計(jì)算域。電池包在計(jì)算域中的位置如圖1所示。

圖1 電池包在計(jì)算域中的位置

將簡(jiǎn)化處理后的模型導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中，設(shè)定電池模組網(wǎng)格目標(biāo)尺寸10 mm，電池包殼體目標(biāo)尺寸12 mm，其它車體部件目標(biāo)尺寸20 mm。然后設(shè)定電池包和電池模組之間防接觸，尺寸為1 mm。完成以上設(shè)定，進(jìn)行包面處理，包面完成后進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)，以提高面網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。要求處理好的面網(wǎng)格模型無自由邊和T形連接等檢查問題，在此基礎(chǔ)上選用trimmer+prism網(wǎng)格策略進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，對(duì)電池周圍區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，目標(biāo)尺寸20 mm。調(diào)整后獲得的體網(wǎng)格總數(shù)約900萬個(gè)。

2 計(jì)算設(shè)置

2.1 電池模組發(fā)熱功率計(jì)算

電池單體生熱率qi估算公式如下

整個(gè)電池包的發(fā)熱功率可以通過各模組電池包單體累加得到，相應(yīng)的公式為

由此方法得到的電池包散熱功率存在累計(jì)誤差，這里采用電池生成模型公式結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)系數(shù)進(jìn)行校核修正。基于熱力學(xué)和傳熱學(xué)的理論知識(shí)，結(jié)合電池包中各單體內(nèi)部以及電池之間的生熱和傳熱原理，可得到電池?zé)崂碚撃Ｐ停?4］，電池生熱模型公式為

式中：ρ——電池平均密度；Cp——電池單體的比熱容；t——時(shí)間；kx、ky、kz——電池內(nèi)部沿x軸、y軸、z軸方向的熱導(dǎo)率。

公式（3）左側(cè)表示單位時(shí)間內(nèi)電池微元體熱力學(xué)能的增量，右側(cè)前3項(xiàng)表示通過界面的傳熱而使電池微元體在單位時(shí)間內(nèi)增加的能量，右側(cè)最后一項(xiàng)q為電池微元體的生熱速率。電池的比熱容一般可以通過對(duì)組成成分材料的比熱容加權(quán)平均進(jìn)行估算，也可用熱量計(jì)測(cè)量來獲得電池的比熱容。常用的平均加權(quán)估算公式

式中：m——電池單體的質(zhì)量；mi——電池單體每種材料的質(zhì)量；Ci——電池單體每種材料的比熱容。

上述參數(shù)可在電池包臺(tái)架試驗(yàn)中測(cè)量獲得，由此計(jì)算得出電池微元體的生熱速率，進(jìn)而算得整個(gè)電池包平均散熱功率。計(jì)算工況中取實(shí)際應(yīng)用過程中電池包的最大放電電流0.5 C（C為充電池的標(biāo)準(zhǔn)容量），經(jīng)計(jì)算和校核，0.5 C放電情況下電池包模組平均散熱功率約為14 kW/m3。

2.2 空氣流場(chǎng)側(cè)設(shè)置

入口采用速度邊界條件：Ve=100 km/h；出口處使用壓力出口邊界條件：Pr=0 Pa。

2.3 計(jì)算工況設(shè)置

計(jì)算分析了原來電池包殼體與電池模組之間無介質(zhì)填充工況和添加硅油等介質(zhì)的動(dòng)力電池包的溫升情況，計(jì)算工況設(shè)置如下。

1）原工況：動(dòng)力電池包殼體和電池模組之間介質(zhì)為空氣。空氣導(dǎo)熱系數(shù)0.023 W/m·K。

2）硅油工況：動(dòng)力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)0.12 W/m·K 的硅油。

3）液態(tài)石蠟工況：動(dòng)力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)0.13 W/m·K 的液態(tài)石蠟。

4）變壓器油工況：動(dòng)力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)0.16 W/m·K 的變壓器油。

5）導(dǎo)熱硅膠工況：動(dòng)力電池包殼體和電池模組之間填充介質(zhì)為導(dǎo)熱系數(shù)1.8 W/m·K 的導(dǎo)熱硅膠。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

首先對(duì)該計(jì)算模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，待計(jì)算穩(wěn)定收斂后，停止計(jì)算；重新設(shè)置計(jì)算模型為瞬態(tài)模型，并設(shè)置固體計(jì)算法和流體計(jì)算法，同時(shí)選定固體區(qū)域和流體區(qū)域，并分別匹配。瞬態(tài)分析時(shí)間總共為6 000 s，時(shí)間步長(zhǎng)取1.0 s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的內(nèi)迭代步數(shù)為20步，輸出圖片的頻率為10 s。

3.1 電池模組的溫度均衡性對(duì)比

作為電池包核心部件，電池模組的允許溫差就成了電池包一個(gè)重要參數(shù)。模塊由于大小和類型不同，可接受的溫度范圍也不一樣。一般小模塊最多可接受溫差為2～3 ℃，稍大模塊正常運(yùn)行可接受的最大溫差為6～7 ℃，對(duì)于常用的純電動(dòng)汽車鋰電池模組，其許用的模組溫差為8～10 ℃。所以對(duì)電池模組的溫度均衡性開展研究就顯得比較重要。本計(jì)算選取100 min最大溫度截面，各工況下溫度均衡性對(duì)比如圖2所示。

由圖2可以看出，原工況因?yàn)闊o導(dǎo)熱介質(zhì)，電池包空間密閉，模組之間布置緊湊，空氣難以流通，溫度普遍較高，在模組間距較小的第7排模組中間散熱情況最差區(qū)域，模組溫度最高；相對(duì)有介質(zhì)情況，無介質(zhì)狀態(tài)模組單體的溫差最小，普遍3 ℃左右，溫度均衡性最好。變壓器油、液態(tài)石蠟和硅油導(dǎo)熱系數(shù)相近，整個(gè)模組溫度相對(duì)無介質(zhì)均勻，在模組中心附近溫度最高，模組溫差5 ℃左右。采用導(dǎo)熱系數(shù)較大的導(dǎo)熱硅膠，模組最高溫度在整個(gè)模組中心位置，依次向外遞減，整個(gè)電池模組溫度分布最規(guī)則，個(gè)別模組單體溫差較大，約8 ℃左右，仍處于電池容許范圍內(nèi)。

圖2 各工況溫度分布情況

3.2 溫度曲線對(duì)比

為了最大儲(chǔ)能，整個(gè)動(dòng)力電池包采用一大一小2個(gè)電池包布置，總儲(chǔ)能約72度電。小電池包6個(gè)模組，大電池包15個(gè)模組，整體布置緊湊。大電池包內(nèi)單個(gè)模組體積較大，因此模組內(nèi)溫度上升較快，這種情況下模組的最高溫度成為另一個(gè)重要的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)動(dòng)力電池包而言，模組最高溫度45 ℃開始少部分限制電功率輸出，最高溫度達(dá)50 ℃限制大部分的電流輸出，模組最高溫度達(dá)55 ℃時(shí)完全限電。對(duì)該動(dòng)力電池包，0.5 A的電流輸出能夠維持車輛以較高的速度行駛，因此主要考察50～55 ℃最高溫度時(shí)車輛使用情況?？紤]車輛高速行駛時(shí)，仍需要剩余部分電量以維持車輛能夠到達(dá)充電設(shè)備進(jìn)行充電的需求，計(jì)算時(shí)間控制在100 min以內(nèi)。經(jīng)計(jì)算，各計(jì)算工況溫升曲線對(duì)比情況如圖3所示。

由圖3可以看出，在環(huán)境溫度27 ℃情況下，原工況無導(dǎo)熱介質(zhì)，溫度上升很快，約75 min到達(dá)50 ℃，部分限制動(dòng)力電流輸出；如果繼續(xù)行駛，約90 min最高溫度到達(dá)55 ℃，從而完全限制動(dòng)力電流輸出，這種情況對(duì)車輛的正常使用勢(shì)必造成一定的影響。當(dāng)使用常見導(dǎo)熱材料后，無論是采用工業(yè)硅油，還是液態(tài)石蠟和變壓器油，連續(xù)大功率輸出動(dòng)力電流100 min后，溫度上升至52 ℃左右，此時(shí)動(dòng)力電流部分限電，不影響車輛的正常行駛。但若是繼續(xù)行駛使電池包繼續(xù)升溫，將會(huì)造成隨后的充電過程初始溫度較高，從而延長(zhǎng)時(shí)長(zhǎng)。若采用高導(dǎo)熱系數(shù)的新材料，例如導(dǎo)熱系數(shù)為1.8的工業(yè)硅膠，對(duì)于這種大容量布置緊湊的動(dòng)力電池包，車輛高速行駛100 min后，動(dòng)力電池最高溫度僅為46 ℃，一般情況下都不會(huì)限制動(dòng)力電流輸出，也不會(huì)影響后續(xù)的充電過程，是優(yōu)化方案的首選。

采用高導(dǎo)熱硅膠方案，車輛開發(fā)時(shí)在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)車輛沒有出現(xiàn)動(dòng)力限電和延長(zhǎng)充電時(shí)長(zhǎng)的情況，從而解決了高溫情況下動(dòng)力限電和過長(zhǎng)的充電時(shí)長(zhǎng)問題。采用導(dǎo)熱介質(zhì)增加散熱方式，相對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷成本低，不增加其它結(jié)構(gòu)部件，同時(shí)能進(jìn)一步增加電池模組之間的絕緣性能，方案可行性好，為產(chǎn)品開發(fā)和進(jìn)一步的研究提供了思路。

圖3 各計(jì)算工況溫升曲線

4 結(jié)論

1）介紹電池模組生熱計(jì)算模型，為實(shí)現(xiàn)流體和固體之間的熱量的傳遞，對(duì)流體和固體的交界面進(jìn)行了耦合處理，在STAR-CCM+軟件平臺(tái)上進(jìn)行電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的散熱對(duì)比分析，解決了特定工況下電池包散熱困難的問題，給出了動(dòng)力電池包散熱優(yōu)化的實(shí)例。

2）利用導(dǎo)熱介質(zhì)材料解決電池包散熱問題，不增加其它新結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間，方便車輛整體布置；同時(shí)增加了內(nèi)部絕緣性能，提高車輛可靠性。

3）優(yōu)化方案的應(yīng)用情況說明，方案設(shè)計(jì)合理，可靠性好，具備良好的可行性。同時(shí)計(jì)算也反映了整車可能出現(xiàn)的問題，為進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了有力的依據(jù)。

［1］BANDHAUER T M， GARIMELLA S， FULLERB T F. A critical review of thermal issues in lithium-ion batteries［J］. Journal of Electrochemistry Society， 2011，158 （3）：3-5.

［2］Gross O， Clark S. Optimizing Electric Vehicle Battery Life through Battery Thermal Management［R］， SAE Paper 2011-01-1370， 2011.

［3］LING Z， CHEN J. Experimental and numerical investigation of the application of phase change materials in a simulative power batteries thermal management system ［J］. Applied Energy， 2014（121）：104-113.

［4］GIULIANO M R， ADVANI S G， PRASAD A K. Thermal analysis and management of lithium-titanate batteries ［J］. Journal of Power Sources， 2011（ 196）： 6517–6524.

［5］IKEZOE M， HIRATA N， AMEMIYA C， MIYAMPTO T et al.， Development of high capacity lithium- ion battery for NISSAN LEAF［R］， SAE Paper 2012-01-0664， 2012.

［6］LEE， D， ROUSSEAU， A， RASK， E，Development and validation of the ford Focus battery electric vehicle model［R］， SAE Paper 2014-01-1809， 2014.

［7］GUO Yazhou， LUO Maji， LIU Yunpeng， et al. Temperature characteristics of ternary-material lithium-ion battery for vehicle applications［R］， SAE Paper 2016-01-1196， 2016.

［8］JARRETT A， KIM I Y. Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance ［J］.Journal of Power Sources， 2011（196）： 10359–10368.

［9］DUAN X， NATERER G F. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2010（53）： 5176–5182.

［10］KULKARNI， A， KAPOOR， A， and ARORA， S，Battery packaging and system design for an electric vehicle ［R］. SAE Paper 2015-01-0063， 2015.

［11］TENG， H， Thermal analysis of a high-power lithiumion battery system with indirect air cooling［R］. SAE Int. J. Alt. Power. 2012， 1（1）：79-88.

［12］SOPARAT J.， SRITHAM W.， TERALAPSUWAN，A.， et al.， Computational study on design of battery cooling system for retrofitted EV passenger cars［R］.SAE Paper 2015-01-0102， 2015.

［13］MAHAMUD R， Park C. Reciprocating air flow for Liion battery thermal management to improve temperature uniformity ［J］. Journal of Power Sources， 2011 （196）： 5685–5696.

［14］車杜蘭，周榮，喬維高.電動(dòng)汽車電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法［J］，汽車工程師，2009（10）：28-30.

（編輯 心 翔）

Numerical Simulation Research on Power Battery Package Cooling of A Pure Electric Vehicle

FU Yuan-fang， LIU Zhao-hui， ZHANG Ling， LIU Meng
（Beijing Changan Auto R＆D Center， Changan Automobile Co.， Ltd.， Beijing 102209， China）

To solve the battery pack cooling issue on a pure electric vehicle， based on the battery pack and a simplified vehicle body， a cooling performance comparison analysis is conducted on the STAR-CCM+ platform. Then a solution of adding thermal conduction medium is proposed， with a verification test on vehicles. The result shows the optimal strategy solves the battery pack overheating problem with relatively low cost and good feasibility， which provides useful reference for the thermal management development of pure electric vehicle power battery package.

battery package; cooling; fluid-structure interaction; STAR-CCM+

U469.72

A

1003-8639（2017）06-0009-04

2016-09-05

北京市科委項(xiàng)目（Z111104056011001）

扶原放（1977-），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠嚳諝鈩?dòng)力學(xué)和車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，E-mail：fuyf@tsinghua.edu.cn。