孙 蕾1，林歆悠2
（1.华侨大学 机电与自动化学院，福建 厦门 361021；2.福州大学 机械工程及自动化学院，福建 福州 350002）
摘 要：为了确保电动汽车行驶过程中锂离子电池组保持良好的工作性能，基于FLUENT软件对锂电池组在恒流放电下进行了温度场仿真，为了考察电池组不同工况的温升程度，分别建立了不同的整车行驶车速、坡度与电池组温升的关系，为开展电池组热管理提供参考依据，提出了基于温升变化规律的强制风冷电池组散热优化方案，同时通过对电池组不同工作条件下的仿真结果的比较，结果表明优化方案能实现电池组良好的散热，最高温度都控制在最佳工作温度范围内。
关键词：电动汽车；锂电池组；FLUENT；恒流放电；散热优化；行驶工况
锂离子动力电池由于自身高电压、高比功率、高比能量等优点[1]，能显著减轻整车质量，大大提高电动汽车的最高车速、加速性能、续驶里程。整车运行中锂离子动力电池的长时间持续的放电会产生大量的热量，这些热量如果不能及时散发出去，整个电池包的温度就会有明显的上升[2]。而温度对电池组的放电容量、循环寿命以及整车的行驶安全性有重要的影响[3]。因此良好的散热结构对电池组性能有着重大的影响。建立电动汽车锂离子电池组的三维散热模型，使用数值模拟软件对已有的电池包结构进行温度场分析并提出电池组优化设计方案对实现锂离子电池组的良好散热十分重要，针对目前电动汽车电池组已有的风冷、液冷、相变材料冷却等散热方式[4]，采用强制风冷的优化方案使电池组温升和电池之间的温差有效降低，从而满足纯电动汽车对电池组的使用要求，另外通过对整车不同运行情况下电池组温度场的瞬态仿真，利用MATLAB对仿真数据的处理建立了整车行驶车速与坡度对电池组温升的直观作用规律。
2.1 锂电池组几何模型及网格划分
研究的电池组为国内某新能源汽车公司提供。锂电池单体为 150Ah，单体电池的长宽高为：（276*182.5*53.5）mm，整个电池包由30个单体组成，分为3组模块左右对称布置，每个模块由上下两层单体构成，每层有5个电池单体。电池包内部长宽高为：（1203*951*123.5）mm，电池包板厚2mm，模块间前后间隔62.5mm，尾端模块与电池包端面相距22mm。
忽略电池正负极柱对电池组温度场分布的影响，同时忽略锂电池单体表面的散热筋，把锂电池单体简化为长方体。由于整个电池组模型成几何对称，这里可以只建立一半的几何模型，然后把对称截面设置为symmetry类型，即可得到等效于整个电池组的对称模型。电池组位于密闭的电池箱体内，所以整个计算域内分为电池组、密闭空气。网格划分，如图1所示。
图1 电池组对称网格模型
Fig.1Symmetrical Mesh Model of Battery Pack
2.2 锂电池组产热及散热模型
锂离子电池在充放电过程中会产生热量，而总热量又可分为反应热、焦耳热、极化热、副反应热，在实际处理中往往将副反应热忽略不计[5]，这里采用理论计算的方法估算电池内部单位体积的产热速率[6]。
式中：q—锂电池内部单位体积的产热速率（W/m3）；
Vb—锂电池的体积（m3）；
E0—锂电池的开路电压（V）；
U1—锂电池的端电压（V）；
T—温度（K）；E0-U1=I·R0，其中 R0为锂电池的内阻（Ω）。
对方形电池内部的热效应的描述用非稳态传热的能量守恒
式中：ρk—电池内部单元体的平均密度；
Cp·k—电池内部单元体的平均比热容；
λk—电池内部单元体的导热系数；
q—电池内部单位体积的生热速率。
在对电池的温度场进行仿真前，需要对电池的参数作一些假设以简化该能量守恒方程。假设如下：
（1）电池内部各材料的比热容、导热系数、产热量不随电池充放电过程中温度及SOC状态的变化而变化[7]。
（2）电池内部各处材料均匀分布，热物理参数在同一方向上处处相等[8]。
电池内部的能量守恒方程可以简化为：
式中：ρ—锂离子电池内部的平均密度；
Cp—锂离子电池内部的比热容；
T—温度；
t—时间；
λx、λy、λz—电池内部 x、y、z三个方向的导热系数。
2.3 锂电池组仿真求解设置
2.3.1 电池包前端面对流换热系数
整车运行过程中电池组产生热量，电池包内的密闭空气受热膨胀，在密闭空气与电池组间形成对流换热，热量进一步传到电池包壳体，在汽车行驶过程中电池包壳体又与迎面而来的空气产生对流换热。电池包前端面对流换热系数h[9]可用式（5）求出：
式中：L—几何特征尺寸（m），对平板一般以几何长度作为几何特征尺寸，为空气导热系数，当空气温度为300K时Kair=0.02624，为普朗特数，当温度为300K时Pr=0.702。为雷诺数，用于表征流体的流动状态，沿平壁面流动时，当Re＜5×105流体流动状态为层流，相反则为湍流。平板雷诺数如下：
式中：u—流体流速（m/s）；L—几何特征尺寸（m）；v—流体运动粘度（m2/s），取 v=1.589×10-5。
2.3.2 FLUENT仿真求解设置
采用稳态计算，在FLUENT中设置电池表面与电池包内密闭空气接触面为耦合面，电池包壳体与外界空气对流换热，空气设置为boussinesq类型，求解方式采用默认设置。这里对整车电池包温度场的分析在40km/h、60km/h、80km/h这三种匀速工况下进行，假设放电过程中电压基本维持保持不变。不同车速下整车电池组参数，如表1所示。
表1 不同车速下电池组参数
Tab.1Parameters of Battery at Different Vehicle Speed
车速（km/h）功率（kW）产热速率（W/m3）对流换热系数W/（m2·k）403.1732334.6334.38605.8817950.2747.568010.29662623.459.87
3.1 40km/h匀速工况下锂电池组温度场
在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（32.29～37.10）℃。其温度场分布，如图2所示。
图2 40km/h匀速工况下锂电池组温度场
Fig.2Temperature Field of Battery at Uniform Speed 40km/h
3.2 60Km/h匀速工况下锂电池组温度场
在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（36.50～50.16）℃。其温度场分布，如图3所示。
图3 60km/h匀速工况下锂电池组温度场
Fig.3Temperature Field of Battery at Uniform Speed 60km/h
3.3 80km/h匀速工况下锂电池组温度场
图4 80km/h匀速工况下锂电池组温度场
Fig.4Temperature Field of Battery at Uniform Speed 80km/h
在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（47.96～85.65）℃。其温度场分布，如图4所示。综合以上仿真结果，在不同车速下锂电池组的温度范围，如表2所示。
表2 不同车速下电池组最高温度
Tab.2The Highest Temperature of Battery at Different Vehicle Speed
车速（Km/h） 最低温度（℃） 最高温度（℃） 温差（℃）4032.2937.104.816036.5050.1613.668047.9685.6537.69
由以上锂电池组温度场仿真结果可知，当整车在60km/h匀速工况行驶时锂电池组的最高温度达到50.16℃，虽然小于电池允许的最高工作温度范围60℃，但是电池组内部的温度不一致性达到了13.66℃，一般而言电池组内部温度差异性应小于5℃，这样才能保证电池组内部单体温度有较好的的一致性[10]。当整车在80km/h匀速工况行驶时锂电池组的最高温度85.65℃，远远大于电池允许的最高工作温度范围60℃。也就是说当整车在60km/h、80km/h等常用匀速工况长时间行驶（电池组电量耗尽时进行快速充电）电池组的温度会远远高于电池组允许的工作范围，这样会严重影响电池组的放电容量、循环寿命，甚至由于温度过高电池组可能发生自燃，导致整车的行驶安全隐患。所以电池组散热结构有待进一步改进。
从功率方程出发，影响汽车行驶功率的因素主要有车速v、坡度i、加速度a。由于对加速度的考虑会直接带来对车辆行驶车速变化的考虑，这样在分析加速度变化对电池组温升的影响时，另一研究因素整车车速也会变化，从而导致无法分析单一因素对电池组温升的影响。这里忽略整车加速度这一因素，令a=0。只考虑整车运行过程中车辆的行驶速度v及道路的坡度i对电池组温升和温差的影响。温度场采用瞬态仿真，只考虑电池组工作的一个周期，即从SOC为1放电到SOC为0.2时终止。
由于本次研究的车辆最高车速为100km/h，最大爬坡度为25%，且最大爬坡度下的车速为15km/h，所以对数据点的选取定为爬坡度i=0%、5%、10%、15%、20%、25%；车速v=15km/h、20km/h、30km/h、40km/h、50km/h、60km/h、70km/h、80km/h、90km/h、100km/h。由于电池组所能输出的最大功率的限制，其中有些数据的组合在实际使用中不可能存在，应予以舍弃。
为了分析整车运行过程中车辆的行驶速度v及道路坡度i对电池组温升的影响，对不同行驶状态下仿真所得到的电池组的最高温度Tmax进行分析。另外，对汽车行驶车速对电池组温升的影响进行研究，保持汽车行驶坡度不变，在同一坡度不同车速下进行数据分析；同样，研究汽车行驶坡度对电池组温升的影响，保持汽车行驶速度不变，在同一车速不同坡度下进行数据分析。
坡度为定值，放电终了时电池组最高温度Tmax及最大温差ΔTmax随车速的变化规律，如图5所示。两者曲线走势大致相同，可以看出在某一固定坡度值下，随着车速的提高，曲线斜率越来越大，这意味着当在同一坡度上行驶时，车速越往上提电池组的最高温度及最大温差变化越快。
图5 坡度为定值，放电终了时电池组最高温度及最大温差随车速变化
Fig.5The Highest Temperature and the Maximum Temperature Difference with the Speed of Change During End of Discharge at a Fixed Slope
车速为定值，放电终了时电池组最高温度及最大温差随坡度的变化规律，如图6所示。两者曲线走势大致相同，可以看出在某一固定车速下，随着坡度的提高，曲线斜率基本保持不变，这意味着当在同一车速下行驶时，随着坡度增加电池组的最高温度及最大温差均匀提升。
图6 车速为定值，放电终了时电池组最高温度及最大温差随坡度变化
Fig.6The Highest Temperature and the Maximum Temperature Difference with the Slope of Change During End of Discharge at a Fixed Speed
为全面满足实际不同工况行驶中的电池组热管理的需要，将上述的数据拟合为建立车辆的行驶速度v、道路坡度i以及电池组温升的关系，形成确立不同工况放电终了时电池组的温升变化规律，为下一步开展散热优化方案提供判断依据，如图7所示。
图7 不同工况放电终了时电池组的温升变化规律
Fig.7The Battery Temperature Ascending Change Law Under Different Condition When Battery End of Discharge
5.1 散热优化方案
图8 基于温升变化规律的散热优化方案
Fig.8The Optimized Scheme Based on Temperature Ascending Change Law
根据上述标定的不同工况下电池组温升的变化规律来具体确定何时采用强制空气冷却方式[11]，为电池组热管理提供依据，如图8所示。具体而言，在电池包的前端面设置空气进气口，后端面设置空气排气口，利用冷却风扇的旋转提供流动的空气，同时每个电池模块上下单体电池间设置空气流道，以便加强上下电池间的散热，降低电池组内温差[12]。
5.2 优化方案验证示例
在FLUENT软件中开启湍流方程中的标准模型以较好的模拟电动汽车动力电池包中有流体流动下的散热情形。采用不同流速的冷却空气在相同的40km/h、60km/h、80km/h这三种匀速工况下进行温度场仿真。不同车速下仿真得到的最高温度，如表3所示。温差，如表4所示。
表3 不同风速与车速下锂电池组最高温度（℃）
Tab.3The Highest Temperature of Battery at Different Wind and Vehicle Speed
车速（km/h） 123454031.0330.8830.8230.7830.766032.9232.4932.3132.2232.168038.0636.8736.3936.1235.95
表4 不同风速与车速下锂电池组温差（℃）
Tab.4The Difference Temperature of Battery Under Different Wind and Vehicle Speed
车速（km/h） 12345400.920.810.770.740.72602.62.292.162.092.05807.186.335.975.775.64
由仿真数据可知车速越大，风速对锂电池组最高温度影响越大，本次研究中基本上当风速大于3m/s后，风速继续提高对电池组的冷却效果不明显，虽然在风速为3m/s时，电池组内温差大于5℃，但由于温度场的仿真是基于稳态计算的，电池组温度场一般不会达到稳态[14]，所以在汽车实际行驶中温差基本不会达到5.97℃，为了保证强制冷却系统较好的经济性，所以本次对锂电池组优化方案中采用3m/s的强制空冷。
（1）40km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场。在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（30.04～30.78）℃。其温度场分布，如图9所示。
图9 40km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场
Fig.9Optimized Temperature Field of Battery at Uniform Speed 40km/h
（2）60km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场。在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（30.13～32.22）℃。其温度场分布，如图10所示。
图10 60km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场
Fig.10Optimized Temperature Field of Battery at Uniform Speed 60km/h
（3）80km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场。在空气温度为30℃时，经过FLUENT仿真，锂电池组温度范围为（30.36～36.12）℃。其温度场分布，如图11所示。
图11 80km/h匀速工况下锂电池组优化后温度场
Fig.11Optimized Temperature Filed of Battery at Uniform Speed 80km/h
由以上锂电池组温度场仿真结果知，当车速分别为40km/h、60km/h、80km/h时，锂电池单体的最高温度都远远小于电池允许的最高工作温度范围60℃，当车速为80km/h温差为5.76℃。与原电池组相比优化方案散热效能大大增强。
（1）对锂电池组在常用的匀速工况下进行温度场稳态仿真，结果显示当车速分别为40km/h、60km/h时电池组的最高温度分别为37.10℃、50.16℃，满足电池允许的温度范围，但当车速为60km/h时电池组的温差为13.66℃，超过电池组温度一致性的要求，当车速为80km/h时电池组的最高温度为85.65℃，远远超过电池允许的温度上限60℃。应当对原有电池组散热结构进行优化。
（2）对不同车速及爬坡度下电池组温度场的瞬态仿真表明：随着车速提高电池组的温升及温差变化越快；随着坡度增加电池组温升及温差均匀提升，建立了不同工况放电终了时电池组的温升变化规律；
（3）在对锂电池组结构优化的基础上，制定基于温升变化规律的电池组散热优化方案并在同样的运行工况下进行温度场稳态仿真，令强制空冷风速为3m/s，结果显示当车速分别为40km/h、60km/h、80km/h时电池组的最高温度分别为30.82℃、32.31℃、36.39℃，满足电池允许的工作温度范围，稳态时电池组温差也只有5.97℃，表明优化结构的可行性以及基于温升变化规律的电池组散热优化方案的有效性。
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Heat Analysis of the Electric Vehicle Lithium-Ion Battery Pack Based on Analysis of Different Temperature Rising Law
Sun Lei1，Lin Xin-you2
（1.College of Mechatronic and Automation，Huaqiao University，Fujian Xiamen 361021，China；2.College of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fujian Fuzhou 350002，China）
Abstract：For ensuring lithium-ion battery pack good performance while electric vehicle driving ，battery pack temperature field was simulated with FLUENT software under constant-current discharge.In order to investigate the battery temperature increasing level，the relationship between different vehicle speed、slope and battery temperature increasing was set up respectively.For providing reference to battery thermal management，the optimization scheme of battery forced air cooling based on temperature rising change law was proposed.The simulation results of batteries of different working conditions was compared at the same time，the results show that optimization scheme can realize good heat dissipation of the battery pack and highest temperature was controlled in the optimal operating temperature range.
KeyWords：ElectricVehicle；Lithium-IonBatteryPack；FLUENT；Constant-CurrentDischarge；ThermalOptimization；Driving Cycle
中图分类号：TH16
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2017）10-0055-05
来稿日期：2017-04-08
基金项目：国家自然科学基金（51505086）
作者简介：孙 蕾，（1982-），女，福建人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：工业设计和新能源汽车研究；
林歆悠，（1981-），男，福建人，博士研究生，讲师，硕士研究生导师，主要研究方向：新能源汽车能量控制策略与车辆传动
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