徐子祥，戴嘉杰，翟豪瑞，劉文迪，萬(wàn)海建，王 安，熊 新

基于FEA的電動(dòng)汽車電池模組散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

徐子祥，戴嘉杰，翟豪瑞*，劉文迪，萬(wàn)海建，王 安，熊 新

（鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051）

論文設(shè)計(jì)了一套適用于電動(dòng)汽車的模組結(jié)構(gòu)并分析驗(yàn)證了其水冷散熱效能。首先建立單節(jié)電芯的熱模型，然后建立絕熱模組產(chǎn)熱模型，了解模組的溫升及溫差情況后，在自然放電的情況下，施加水冷散熱，分析水流不同的換熱量對(duì)電池模組溫度變化的影響。最終分析得出，設(shè)計(jì)的模組結(jié)構(gòu)使用水冷散熱效果明顯，能夠較快地降低電池模塊溫度。

電池模組；水冷散熱；電動(dòng)汽車；有限元分析

電動(dòng)汽車的安全性是設(shè)計(jì)時(shí)最為重要的因素，尤其是電池的安全性能，其危險(xiǎn)性主要表現(xiàn)在冷卻系統(tǒng)不安全、擠壓碰撞不安全、充電不安全等方面，這些方面都有可能引起電池過(guò)熱而起火自燃。隨著電動(dòng)車技術(shù)的發(fā)展、動(dòng)力和續(xù)航的提升，電池的熱失控風(fēng)險(xiǎn)與日俱增，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求電池箱體滿足IP67，因此，傳統(tǒng)的風(fēng)冷方式不適用于新型電池箱。鑒于此，本文針對(duì)水冷散熱系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了新的電池模組。同時(shí)，借助ANSYS軟件分析了水冷散熱的效果。

1 鋰離子電池的熱特性分析

鋰電池發(fā)生充放電反應(yīng)時(shí)，隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，內(nèi)部的鋰離子持續(xù)地在正負(fù)極之間移動(dòng)，同時(shí)伴隨著以放熱為主的吸、放熱反應(yīng)。鋰離子電池的產(chǎn)熱速度還因不同使用條件而存在一定差異，這些條件包括充放電倍率、環(huán)境溫度、電池壽命、電池連接情況等。

鋰離子電池的具體產(chǎn)熱反應(yīng)包括四個(gè)：電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的反應(yīng)熱、電池內(nèi)阻存在而產(chǎn)生的焦耳熱、電池極化反應(yīng)而產(chǎn)生的極化內(nèi)阻熱、電解質(zhì)分解等產(chǎn)生的副反應(yīng)熱。其中副反應(yīng)熱屬于電池自放熱，產(chǎn)熱很少，可忽略不計(jì)[1]。

1.1 化學(xué)反應(yīng)熱Qr

充放電過(guò)程中，鋰離子不斷穿過(guò)隔膜游離于正負(fù)極之間，反應(yīng)物與生成物之間來(lái)回轉(zhuǎn)化，同時(shí)滿足能量守恒定律。即充電時(shí)，電池吸熱，化學(xué)反應(yīng)熱為負(fù)值；放電時(shí)，電池放熱，化學(xué)反應(yīng)為正值。產(chǎn)熱表達(dá)式[2]為

式中，為鋰離子單體電池個(gè)數(shù)；為鋰離子單體電池正負(fù)極質(zhì)量，g；為鋰離子單體電池正負(fù)極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)釋放熱量的代數(shù)和，J；為充放電電流，A；為摩爾質(zhì)量，g/mol。

1.2 焦耳熱Qj

在充放電的過(guò)程中，電池內(nèi)部電極材料和隔膜共同構(gòu)成了電池內(nèi)阻，由此歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱便是焦耳熱。它是電池產(chǎn)熱的主要來(lái)源，且與電池的使用情況關(guān)系較小。表達(dá)式為[3]

j=2x（2）

式中，為充放電時(shí)的電流，A；x為電池內(nèi)部的歐姆內(nèi)阻，Ω。

1.3 極化反應(yīng)熱QP

電池內(nèi)部存在電流時(shí)，電池電壓就會(huì)失衡，其開路電壓和端電壓之間會(huì)產(chǎn)生壓降，產(chǎn)生的容差極化內(nèi)阻就會(huì)生成極化反應(yīng)熱。極化反應(yīng)熱在充放電過(guò)程的后期極為明顯，同時(shí)深受充放電倍率，溫度的影響，其表達(dá)式為

p=2y（3）

式中，為充放電時(shí)的電流，A；y為電池的極化內(nèi)阻，Ω。

2 電池模組設(shè)計(jì)

電池模組是電動(dòng)汽車動(dòng)力源的基本組織單位，由電芯集合而成，包括電芯支架、銅排、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）、水冷系統(tǒng)等。因此，模組的設(shè)計(jì)直接決定了電池的抗負(fù)載性、恒溫性等其他各種安全性能，模組設(shè)計(jì)也間接決定了電池包的大小形狀和布置形式，甚至整車的重心。

2.1 模組設(shè)計(jì)的基本原則

1.高能量密度原則

提高動(dòng)力電池包能量密度，以滿足電動(dòng)汽車行駛里程。提高動(dòng)力電池包能量密度的方法有兩種：一是提高成組效率，二是采用更高能量密度的電芯。

2.輕量化設(shè)計(jì)原則

通過(guò)動(dòng)力電池包的輕量化來(lái)大幅度提升能量密度已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的主流方向。除了盡可能降低電芯本身的能量密度，還有很多細(xì)節(jié)上的改善方法，比如減少不必要配件，部分采用鋁板或碳纖維等新型材料等。

3.安全化設(shè)計(jì)原則

動(dòng)力電池包安全防護(hù)的根本原則：阻止電能和化學(xué)能在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)以不可控的方式釋放，或減輕其不可控釋放所帶來(lái)的危害。動(dòng)力電池包的安全設(shè)計(jì)要求合理布局，具備良好的冷卻系統(tǒng)和可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模塊需要安裝固定的位置，對(duì)電池單體的各個(gè)部位要有相應(yīng)的固定措施，尤其是極耳部分[4]。

4.熱管理設(shè)計(jì)原則

動(dòng)力電池模組應(yīng)能適應(yīng)不同氣候下的正常運(yùn)行，如在高溫時(shí)開啟制冷系統(tǒng)降低動(dòng)力電池包溫度，低溫時(shí)開啟加熱系統(tǒng)保證動(dòng)力電池包的正常充放電。

2.2 模組設(shè)計(jì)概括

內(nèi)部電芯為標(biāo)準(zhǔn)的18650圓柱形電芯，模組的串并方式為4串32并，用作電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車的儲(chǔ)能裝置。對(duì)于一噸的車，這種模組串聯(lián)個(gè)二十個(gè)能連續(xù)運(yùn)行超過(guò)一百公里。模型主要由電芯、鎳片、銅排、采樣線、防護(hù)蓋、端蓋、側(cè)板金等構(gòu)成，三維模型如圖1所示。

圖1 電池模組

3 電池的熱仿真

上文介紹了電池的產(chǎn)熱機(jī)理，接下來(lái)主要是建立電池的熱仿真模型并分析電池溫度隨放電電流、時(shí)間的變化。

3.1 電池?zé)岱抡婺Ｐ偷慕?/h3>

電池各部分之間產(chǎn)熱效率各不相同，傳熱速度也不相同，這給建立電池產(chǎn)熱模型帶來(lái)了很大難度。因此，設(shè)定一種情況，即電池內(nèi)部質(zhì)量密度處處相等；電池內(nèi)部是均勻的發(fā)熱源，在同一方向的導(dǎo)熱系數(shù)恒定；電池各處比熱容相等。

貝爾納迪（Bernardi）生熱速率模型是應(yīng)用最廣泛的電池生熱模型，其生熱速率公式生熱速率表達(dá)式為

密度公式為

電池比熱容得到利用質(zhì)量加權(quán)性的方法，該電池主要由鋁殼、正極活性物質(zhì)、負(fù)極活性物質(zhì)、隔離膜、電解液等組成，如果在進(jìn)行熱模型仿真時(shí)，將電池內(nèi)部混合材料均勻化，會(huì)很大程度上減輕計(jì)算難度，電池內(nèi)芯的比熱容表達(dá)式為

式中，為電池單體總質(zhì)量；C為電池各部分材料的比熱容；m為電池各部分材料的質(zhì)量。

同樣，每種材料的導(dǎo)熱性均不相同，無(wú)法單獨(dú)設(shè)置。對(duì)于電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，考慮其繞卷的加工方式，對(duì)電芯三個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)做不同計(jì)算，計(jì)算公式[5]：

式中，λ、λ、λ分別為電池沿、、軸方向的平均導(dǎo)熱系數(shù)；λ為內(nèi)芯各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)；L、L分別為垂直于電池卷繞方向和平行于電池卷繞方向的厚度；d、d分別為沿、軸內(nèi)電芯各部分材料的厚度。

模組主要結(jié)構(gòu)材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（Acrylonitrile, Butadiene, Styrene, ABS）塑料、銅、電芯、鋁合金，其主要熱特性參數(shù)如表1所示。

表1 不同材料熱特性參數(shù)

材料密度/(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)/[W/(m·K)]比熱容/[J/(kg·K)] ABS1.10.251 470 銅8 900381390 電芯2 181X=2.3X=0.6X=0.6960 鋁2 700273880

3.2 模型仿真結(jié)果

電芯內(nèi)部采用了Body Sizing的方法，其中在Body Sizing中，Element Size設(shè)置為8 mm，總Mesh中的Relevance相關(guān)性保持原來(lái)的狀態(tài)0，其中支架的網(wǎng)格劃分方法和電芯內(nèi)部的網(wǎng)格劃分方法一致，其生成網(wǎng)格的平均質(zhì)量分別為0.76、0.75、0.72，滿足0.70的標(biāo)準(zhǔn)要求。

接著設(shè)置初始條件，其初始溫度模擬的是 10 ℃，初始設(shè)置條件設(shè)置好后，再設(shè)置求解條件，首先計(jì)算出電芯的內(nèi)分析過(guò)程中，忽略可逆熱，只考慮散熱較大的直流內(nèi)阻熱（歐姆內(nèi)阻熱和極化反應(yīng)熱），通過(guò)對(duì)電芯的檢測(cè)報(bào)告研究可得，內(nèi)阻在1.9 mΩ左右（忽略起步、加速、減速等特殊路況），保持一種平穩(wěn)的放電狀態(tài)。

電流暫取50 A（約16 C放電）。單節(jié)電芯電阻取1 mΩ（歐姆內(nèi)阻0.4 mΩ和極化內(nèi)阻0.6 mΩ），則得出內(nèi)發(fā)熱為12 000 W/m3。

設(shè)單節(jié)18650電芯初始溫度為25 ℃，16 C連續(xù)放電2 h，結(jié)果如圖2所示。

圖2 單節(jié)電池溫度

可知，在完全隔熱狀態(tài)下，電芯溫度的上升極為迅速。

設(shè)模組初始溫度為25 ℃，16 C連續(xù)放電2 h，模組溫度如圖3所示。

圖3 模組溫度

圖中模組最高溫度為54.2 ℃，最大溫差為4.2 ℃，相對(duì)看電芯之間的溫度差不到3 ℃。正常電池合理的工作溫度范圍在0～50 ℃，分析可知16 C放電2 h（初始溫度25 ℃）時(shí)，溫度超限，極容易發(fā)生熱失控，造成危害，因此散熱工作至關(guān)重要?？紤]電池模組的密封性和防水性，選擇水冷散熱。

4 電池水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前應(yīng)用最為廣泛的電池組的熱管理裝置是冷卻板和冷卻管，前者鋪在模組四周，后者深入電芯周圍，冷卻管適用于圓柱形鋰電池，冷卻板適用于方形鋰電池。管道內(nèi)的冷卻液由水、乙二醇和添加劑的混合物構(gòu)成，取50%的水和50%的乙二醇，其密度為1 071.11 kg/m3，比熱容為3.780 9 J/(kg·K)。冷卻管采用導(dǎo)熱系數(shù)較高、成本較低的鋁材料，其導(dǎo)熱系數(shù)237 W/(m·K)。

4.1 水冷散熱理論

忽略流體在導(dǎo)管內(nèi)的機(jī)械能損失，假設(shè)流速處處相等，得流體質(zhì)量流量為

=（8）

式中，為冷卻液密度，kg/m3；為導(dǎo)管橫截面面積，m2；為流體流速，m/s；為時(shí)間，s。

流體與外部換熱量：

=p(1-2) （9）

式中，p為冷卻液比熱容，J/(kg·K)；1為流體的最高溫度，℃；2為外部溫度，℃。

4.2 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿真過(guò)程使用如圖4所示的平行通道冷卻板結(jié)構(gòu)，板上管道即是冷卻液流動(dòng)管道。冷卻板內(nèi)的流道結(jié)構(gòu)采用平行通道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，并且易于加工，只需在冷卻板上鉆孔即可[6]。

圖4 平行通道冷卻板結(jié)構(gòu)

在冷卻板的結(jié)構(gòu)尺寸中，冷卻板壁還附有支撐作用，其厚度需滿足一定標(biāo)準(zhǔn)，管道寬度、深度、數(shù)量等因素都會(huì)影響水流動(dòng)的速度、流量，從而影響散熱效果[7]。如果散熱板內(nèi)流量分配不均勻，部分電芯未涉及，那么每塊散熱板散熱性能也會(huì)不同，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部電池單體的溫度分布不均勻，從而加速了電池組的一致性變差。所以散熱板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，合理的設(shè)計(jì)可以提高效率，減少能量損耗。

4.3 水冷系統(tǒng)散熱分析及影響因素

考慮到水流量與散熱量的非線性關(guān)系，本文以流體的換熱量為自變量，分析對(duì)電池散熱的影響。這樣的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于水冷管的形狀、位置、總體積和水流速的大小、流速不均等進(jìn)行宏觀考慮[8]。

對(duì)產(chǎn)熱的模組施加20 J的散熱量，設(shè)初始溫度為15 ℃，持續(xù)工作2 h，模組溫度（刨面處理）結(jié)果在圖5中呈現(xiàn)。

圖5 模組溫度

可知，在電芯內(nèi)部達(dá)到最高溫度時(shí)，相關(guān)散熱部分是最低溫度，模組內(nèi)最大溫差約為6 ℃。相對(duì)于圖3，電池整體溫度值有明顯下降，同時(shí)模組內(nèi)部溫差擴(kuò)大，呈現(xiàn)“中熱外冷”的情況?？赏茢?，若要保證電池的溫差少于3 ℃，水冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不夠的，不容易平衡模組各處熱量，當(dāng)然，合理的模組結(jié)構(gòu)應(yīng)以水冷管為主，其難度也較大，需要在此之間達(dá)到一種平衡。

再分別分析在60 J、95 J、140 J、170 J、180 J、200 J的換熱量下，同樣設(shè)初始溫度為15 ℃，工作時(shí)長(zhǎng)2 h。整理得到圖6溫度隨換熱量的變化曲線。

圖6 溫度隨換熱量的變化曲線

由圖6可知，隨著換熱量的增大電池模塊的最高溫度在逐漸降低，當(dāng)水流量最大時(shí)，電池模塊的最高溫度取得值最小為 25.7 ℃，最大溫升為15.7 ℃，整個(gè)模塊的溫度場(chǎng)溫差最大為 7.7 ℃。由此可以看出，較大換熱量對(duì)模組最高溫度的降低效果比較小，但換熱量的效果明顯，且模組最低溫度變化較小。

5 總結(jié)

1）水冷散熱的效果明顯，可有效防止電池的熱失控，但管道內(nèi)的水不能泄露，應(yīng)布置在模組不受力的地方。

2）局部、快速的模組散熱處理會(huì)加大電池的溫差，造成電池產(chǎn)生不同的工況，會(huì)減少電池的一致性。因此，散熱效率應(yīng)智能控制、與產(chǎn)熱相適應(yīng)。

3）模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，尤其是材料導(dǎo)熱性會(huì)極大影響模組溫差，一方面，選用導(dǎo)熱性能好的材料使用；另一方面，在模組空白處適當(dāng)使用導(dǎo)熱膠等材料。

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Design and Analysis of Heat Dissipation Structure of a Battery Module for Electric Vehicles Based on FEA

XU Zixiang, DAI Jiajie, ZHAI Haorui*, LIU Wendi, WAN Haijian, WANG An, XIONG Xin

( School of Automotive Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng 224051, China )

This paper designs a set of module structure suitable for electric vehicles and analyzes its water-cooling and heat dissipation efficiency. Firstly, establishes the heat model of single cell, and then the heat generation model of adiabatic module is built. After considering the situation of temperature rise and difference of the module, water-cooling is applied to dissipate heat under the condition of natural discharge, and the change of temperature of the battery module under different heat transfer of water flow is analyzed. The final analysis shows that the heat dissipation effect of using water-cooling for this module structure is obvious, which can quickly reduce the temperature of the battery module.

Battery module; Water-cooling heat dissipation; Electric vehicles; Finite element analysis

U469.72

A

1671-7988(2023)11-01-05

徐子祥（2001－），男，研究方向?yàn)樾履茉雌囯姵谻FD仿真分析，E-mail:1756343795@qq.com。

翟豪瑞（1990－），男，博士，研究方向?yàn)槠嚵悴考尚图澳＞叱尚图夹g(shù)，E-mail:18251423907@163.com。

江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202110305042Y）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.011.001