摘要：純電動汽車電池組熱管理是保證電池組性能的關(guān)鍵。本文主要研究了電池在工作過程中，由于熱積聚而導(dǎo)致的電池散熱問題，為了方便仿真本文對電池模型進行了有效簡化。通過對模型工作環(huán)境的分析，對于電池在不同入口流量、不同放電倍數(shù)條件下，工作時的溫度分布。通過對電池模型進行簡化改進及網(wǎng)格劃分，對電池進行工作熱集中情況進行仿真研究，力求得到與實際相近的結(jié)果，為電池散熱方式的研究提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：電池；熱管理；仿真分析
電池組熱管理是保證電池組工作、維持其工作壽命和工作性能的關(guān)鍵。因此，高效的熱能管理系統(tǒng)對于電動汽車具有十分重要的作用。
１ 電池組溫度場仿真分析
根據(jù)特斯拉汽車電池組的結(jié)構(gòu)拆裝研究，在電動車實際應(yīng)用中，鋰離子電池是以組合式的方式為電動車供電的。特斯拉的Model-S電動車采用了7104節(jié)18650號鋰電池。在電池板上，7104個電池組分為16個電池組，每個電池組444個電池構(gòu)成。電池板間以串聯(lián)方式連接。所以，在電池板上，每個電池的間距非常的短，并且彼此間的熱力學(xué)效應(yīng)影響非常大。所以，對電動車電池組的熱管理系統(tǒng)提出了更高的要求。
1.1 鋰離子電池組建模
本文選取96節(jié)電池為一組，并以縱橫線方式串聯(lián)并聯(lián)；８×12型，每組間間隔２毫米。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計更適合于在電池外面為冷卻劑提供流場的外殼。在實際的物理模型中，由于含有大量的電池，所以可以忽略電池的內(nèi)部構(gòu)造，只保留了一個熱源，作為一個發(fā)熱區(qū)。
模型完成后，就是開啟液體冷卻域。根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)大小，本文對液域外殼的尺寸作了以下的規(guī)定：70×190×275mm3。外殼部分建模如圖１所示：然后，規(guī)定了液體的入口和出口，并完成整個模型組裝起來，最后得到的模型。如圖２所示：

圖1 外殼建模圖

圖2 模型裝配組合
1.2 簡化后的電池組建模及網(wǎng)格劃分
為了便于運算，將上面提到的模型進行了簡單的修改，將多個個體單元的整體構(gòu)造去掉，只用一個模型來表示電池組，并在其中設(shè)置了一個同樣大小的熱源，而流體區(qū)域的模型則保持原樣。在建模結(jié)束后，劃分網(wǎng)格，選擇具有良好適用性的網(wǎng)格進行劃分，該劃分效果良好。在確保計算精確性的前提下，大大縮短了模擬迭代所需的計算量。
２ 各項參數(shù)及邊界條件的設(shè)定

2.1 內(nèi)部熱源
仿真選擇在１Ｃ的放電情況下進行計算。
2.2 各項參數(shù)設(shè)計
首先設(shè)定冷卻液的工藝參數(shù)，通過篩選，確定了冷卻液的物理性能：密度；比熱容；導(dǎo)熱系數(shù)；動力粘度系數(shù)
2.3 邊界條件
因為模擬時存在著流體和固態(tài)之間的熱相互作用，所以必須建立一個耦合的界面。以及設(shè)定了該體系與大氣之間的自然對流率為0.5w/m.k。
３ 無液體冷卻下電池組散熱情況
經(jīng)過計算后，得到在１Ｃ放電下電池組的溫度分布。在熱源處溫度最高地方溫度為312.5（Ｋ），電池表面最高溫度為311.2（Ｋ），電池表面最低溫度為306.3（Ｋ）本次仿真是在沒有冷卻液流動的情況下，電池組經(jīng)過一段時間的放電后電池內(nèi)部的溫度分布。
4 電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計與分析
經(jīng)過氣流散熱，電池組的熱源在運行一會后，其內(nèi)部的最高氣溫就會高達312.6K，遠遠超出了它的最優(yōu)工作范圍。這意味著電池組內(nèi)的大量發(fā)熱，若不及時散熱，將導(dǎo)致大量的熱聚集，從而導(dǎo)致事故。所以需要對電池組進行熱量的控制。通過模擬計算，可知，單靠空氣制冷是遠遠達不到散熱的目的，所以，需要將對電池組進行液態(tài)制冷，并對不同入口流速和放電倍數(shù)的電池組進行對比。
（1）通過對電池組區(qū)域內(nèi)冷卻液進出部位的控制，可以對制冷效率產(chǎn)生直接的作用。通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，選用S形布局，以電池組兩側(cè)的出口斜向布置。
（2）湍流模型的選擇

在確定湍流方式時，我們先假定了散熱的電池組：

Ａ．當(dāng)加熱時，蓄電池的冷板沒有發(fā)生有效的變形；

Ｂ．流體與固態(tài)接觸表面的摩擦是無窮大的；

Ｃ．整個電池盒僅對內(nèi)部進行熱交換進行了計算；

Ｄ．沒有恒定的力和流體的邊界壓強。
根據(jù)假設(shè)，我們必須判定模型中的紊動。從流體的理論基礎(chǔ)上，我們可以得出一個結(jié)論：判定湍流和層流動的主要依據(jù)是：系統(tǒng)的雷諾數(shù)大于其閾值，超出即為紊流，而非為層流。用以下公式來表示雷諾數(shù)：

其中，V是流體平均流速，以m/s為單位；Ｌ 為特征長度，以m為單位；V為流體的運動粘度系數(shù)，以m^2/s為單位；μ為流體的動力粘度系數(shù)，以kg/m.s，計算方法如下：

上式中，μ０是一個標準大氣壓下零攝氏度流體的動力粘度系數(shù)，其余項皆為常數(shù)。Ｔｓ的值為124K，T0的值為273.15K。經(jīng)過計算后，發(fā)現(xiàn)冷卻液流動方式為湍流。
（3）邊界條件的設(shè)置
為了保證所得到的各結(jié)果具有惟一的解析性，定義了各個區(qū)域之間的界限，在模型中，所涉及到的邊界問題有：入口、壁面、耦聯(lián)等。
Ａ．進口邊界：根據(jù)模擬需要，將進口邊界確定為速度－質(zhì)量流，并選取了初始質(zhì)量流0.03kg/s。
Ｂ．出口邊界：這里的出口界限是指可以反映在出口流體的壓力的壓力輸出界限。
Ｃ．壁面的邊界：本論文將冷與熱源分別設(shè)定為墻的邊緣，其表面的溫度是常溫的，同時也是0.5w/m.k的對流傳熱．
耦聯(lián)邊界：在本論文中，池殼層和冷卻液接觸表面存在著固態(tài)和液態(tài)的熱交換，所以我們選用了耦合界面。不需要設(shè)定耦合邊界，就可以實現(xiàn)軟件的自動耦合。為了對比提高電池組在液態(tài)降溫前和降溫過程中的溫度場，我們選取了相同工況（放電倍率、入口流量、對流換熱系數(shù)）的觀測值進行對比。

圖3 液體冷卻下電池組溫度分布

圖4 無液體冷卻下電池組溫度分布
從上圖中可以看出是否有液體冷卻對電池組的溫度分布具有很大的影響。
表１ 冷卻液對電池溫度的影響 

由上表可知，加入液態(tài)冷卻模式后，電池組內(nèi)部的溫度分布發(fā)生了明顯變化，散熱效果大幅提高，這是由于冷卻液在電池組和流體區(qū)域中的流動，將大量電池組的熱量從電池組中抽走，從而使電池組獲得了高效的熱管理。
5 介質(zhì)流量對熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響
電池組入口的介質(zhì)流速對散熱的電池組有很大的響。在入口介質(zhì)流量較大的情況下，散熱作用較好；現(xiàn)代的電動車在控制媒體流方面有了很高的技術(shù)，它可以實時監(jiān)測電池的運行狀態(tài)，并在升溫的時候增加冷卻液的流量，加快電池組的冷卻，消除工作風(fēng)險；在降溫過程中，減少冷卻液的流速，減少相應(yīng)的損失。所以，本文將觀察冷卻液的流速改變對散熱的作用。為便于模擬，我們選取三個差別比較大的流場，即0.003、0.03、0.3（單位為kg/s），為進一步的模擬，我們選用3c的電流比來模擬，所得的數(shù)據(jù)差別更為顯著。以下是具體仿真結(jié)果：
3c放電倍率下入口流量為0.003kg/s時的溫度分布圖，如下圖５，圖６所示：

圖5 電池表面溫度

圖６ 電池內(nèi)部最高溫度
3c放電倍率下入口流量為0.03kg/s時的溫度分布圖，如下圖7，圖8所示：

圖７ 電池表面溫度圖

圖8 電池內(nèi)部最高溫度
3c放電倍率下入口流量為0.3kg/s時的溫度分布圖，如下圖９，圖10所示：

圖9 電池表面溫度

圖10 電池內(nèi)部最高溫度
表2 不同入口流量情況下電池溫度分布

通過對表２的分析，可以得出：在同樣的放電比條件下，進氣流量較大的散熱效應(yīng)更為顯著。表２中有兩個地方的最低氣溫大致相同，這是由于電池表面經(jīng)過了足夠的散熱之后，最低氣溫會到達正常的水平，所以在最小的溫差上沒有顯著的差別。
6 不同放電倍率對熱管理系統(tǒng)散熱效果的影響結(jié)果
本文選擇３組數(shù)據(jù)，即放電1c，2c，3c時，冷卻液的流速為0.03ｋｇ／ｓ，模擬３組數(shù)據(jù)計算后，比較電池的溫度分布，因為1c放電時的溫度分，2c放電情況下電池內(nèi)部溫度，3c放電情況下電池內(nèi)部溫度，最終結(jié)果如表３所示：
表3 不同放電倍率對電池溫度的影響

通過仿真模擬計算分析，可知在不同的充放電比下，電池組工作一段時間后，電池的最高溫度會急劇升高，如果沒有有效的電池管理系統(tǒng)進行快速散熱就會造成電池的損壞及車輛的無法行駛。
7 總結(jié)
本文的研究重點在于電池組工作一段時間后產(chǎn)生熱積累時的散熱問題。本論文主要采用理論分析和Fluent仿真相結(jié)合的方法，研究了不同環(huán)境溫度下的電池內(nèi)部溫度分布情況，并對其進行了優(yōu)化。電池組內(nèi)部的熱量堆積將會引發(fā)一系列嚴重的問題，特別是在電池組中電芯要承受各種熱量包括工作熱量及電池間的流動熱量。所以，為了保證電池組的工作性能和使用壽命，電池組始終保持在一個合理的工作溫度區(qū)間，這樣既能保證電池的使用壽命，又能降低電動車的事故率。本文通過對電池組的溫度分布和單體的物理性質(zhì)的分析，為電池組的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供一定的借鑒作用。
作者：殷鵬翔
作者單位：晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院