白曉天，郭志軍

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽 471000)

2013—2018 年全國汽車保有量及其污染物排放量呈直線上升的趨勢，傳統(tǒng)汽車給環(huán)境帶來的危害日益加劇，我們迫切需要一種新型無污染的汽車來替代傳統(tǒng)汽車，新能源汽車便應(yīng)運而生，從2010 年的8 159 輛到2018 年的125.6 萬輛可以看出，新能源汽車已經(jīng)融入了我們的生活。雖然其節(jié)能環(huán)保給自然帶來了便利，但是還存在一些安全隱患。2019 年4月份特斯拉發(fā)生自燃事件；2020 年4 月份蔚來ES8 分別在西安、上海、武漢三座城市發(fā)生著火事件，此款車輛的召回比例高達27.37%；同年8 月份北汽新能源汽車在充電的時候發(fā)生爆炸。主要原因就是電池組在工作時溫度急劇升高，引起電池鼓脹破裂，最后失火。所以電動汽車擁有一個良好的散熱系統(tǒng)，及時將電池組堆積的熱量排放出去至關(guān)重要。

鋰離子電池因為具有電壓高、比能量高、充放電壽命長等優(yōu)點被廣泛用在電動汽車上，目前常用的鋰離子電池組的冷卻方式有空氣冷卻、液體冷卻、相變冷卻和熱管冷卻?？諝饫鋮s結(jié)構(gòu)簡單，成本較小但是效率低下，適合用在小型對散熱要求不高的電動汽車上；液體冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴但是冷卻效果好；相變冷卻和熱管冷卻造價太高并且技術(shù)不是很成熟，所以還沒有得到廣泛應(yīng)用。

本文主要針對某純電動汽車的鋰離子電池組進行散熱系統(tǒng)的設(shè)計分析，采用“雙冷卻室”風冷液冷一體化的散熱方式。通過Catia 建立散熱系統(tǒng)的模型，再用ABAQUS 對電池組散熱進行模擬數(shù)值分析，改變不同的環(huán)境溫度，使得在各種情況下都能將電池組的溫度控制在合理的范圍內(nèi)。

1 鋰離子電池的產(chǎn)熱特性

鋰離子電池組在充放電過程中，產(chǎn)生的熱量主要包括反應(yīng)熱Qr、極化內(nèi)阻熱Qj、歐姆內(nèi)阻熱Qo、副反映熱Qy。

根據(jù)能量守恒定律，微元體的熱平衡滿足如下條件：導(dǎo)入微元體的總熱流量+微元體內(nèi)熱源的生成熱=微元體內(nèi)能的增量+導(dǎo)出微元體的總熱流量[1]。

根據(jù)傅里葉定律，可以得知導(dǎo)入和導(dǎo)出微元體的總熱流量可以分解成x、y、z三個方向的分熱流量，如圖1 所示。

圖1 分流熱量示意圖

依據(jù)傅里葉定律，通過x、y、z三個表面的導(dǎo)入微元體的熱量如下：

同理可得，通過x+dx、y+dy、z+dz三個表面的導(dǎo)出微元體的熱量如下：

微元體的內(nèi)能增量為:

式中：ρ 為密度；c為比熱容；t為時間。

設(shè)單位體積內(nèi)熱源的生成熱為q，那么微元體內(nèi)熱源的生成熱為：

最后根據(jù)微元體的熱平衡條件得出單體電池內(nèi)部生熱的導(dǎo)熱微分方程在直角坐標系下的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱模型為：

2 散熱系統(tǒng)模型的建立

2.1 散熱系統(tǒng)幾何模型

散熱系統(tǒng)的三維模型如圖2 所示，等軸圖中從上向下依次為散熱風扇組、導(dǎo)熱鋁板、冷卻管套板、冷卻管道、電池本體。散熱風扇組由6 個獨立工作的風扇組成，可以根據(jù)不同的工況開啟不同的個數(shù)。散熱管道出口連接暫存室，入口連接冷卻室，與電池本體之間通過硅膠連接。

圖2 散熱系統(tǒng)三維模型圖

新型雙冷卻室和單冷卻室散熱系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3 所示。圖3(a)中，已經(jīng)吸收過電池本體熱量的冷卻液流入暫存室，同時冷卻室已經(jīng)冷卻后的冷卻液流入冷卻管道，對電池本體降溫。此時暫存室的冷卻液進入冷卻室冷卻，等待下一個循環(huán)的使用，這樣既可以保證冷卻液的低溫性，又能提高整個冷卻管道冷卻液的均溫性，避免單個冷卻室系統(tǒng)中即將進入冷卻室的冷卻液和剛流出冷卻室的冷卻液之間溫差較大的問題。如果冷卻液溫差較大將直接造成電池組放電時溫差較大，還會加劇熱輻射的不均勻性，進一步對電池組溫差產(chǎn)生影響。

圖3 散熱系統(tǒng)示意圖

2.2 散熱系統(tǒng)材料物性參數(shù)

因為電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，含有的材料非常繁多，無法準確建立與實際電池組完全一樣的模型，所以需要對模型進行簡化并做出以下的假設(shè)[2]：(1)電池內(nèi)部物質(zhì)發(fā)熱均勻，忽略正負極；(2)電池內(nèi)部各向同性，物理性質(zhì)相同；(3)電池比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，不考慮塑性變形、膨脹率等因素。本文采用的電池組模型為三個并列分布的電池單體，每個電池單體的尺寸為200 mm×120 mm×60 mm，電池單體之間的間距為30 mm。因為在整個仿真分析過程中，需要考慮電池組的瞬態(tài)響應(yīng)，所以還需要各種材料的密度參數(shù)。通過加權(quán)平均法計算之后，得到各種材料的物性參數(shù)如表1 所示。

表1 材料物性參數(shù)

因為上文假設(shè)電池內(nèi)部各向同性，所以電池的導(dǎo)熱系數(shù)在各個方向統(tǒng)一取2.75 W/(m·K)。電池輻射產(chǎn)生的熱量也不能忽視[3]，輻射率取0.8。

3 仿真分析與討論

3.1 模型仿真

散熱系統(tǒng)的空氣流域是由6 個風扇組成的，在仿真的時候，將風扇提供的空氣流域用穩(wěn)定的風速代替，通過在電池組上施加空氣強制對流區(qū)域來實現(xiàn)，空氣強制對流換熱系數(shù)取200 W/(m2·K)；同樣的，冷卻液提供的液體流域用穩(wěn)定的液體流速代替，通過在電池組上施加液體強制對流區(qū)域來實現(xiàn)，新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)的液體強制對流區(qū)域是均勻的；傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)的液體強制對流區(qū)域是非均勻性的，水的強制對流換熱系數(shù)取3 000 W/(m2·K)。流道入口的速度設(shè)置為0.03 m/s;冷卻液的入口溫度設(shè)置為298.15 K；電池的輻射率設(shè)置為0.8。

網(wǎng)格劃分的單元形狀采用六面體，控制屬性設(shè)為結(jié)構(gòu)，幾何階次使用線性。為了提高仿真的準確性和運算效率[4]，網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為3×30×70×150=945 000 個，網(wǎng)格的具體分布如圖4 所示。

圖4 電池組網(wǎng)格分布圖

為了驗證新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)的散熱效果是否得到提高，在ABAQUS 仿真平臺上與傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)進行對照實驗[5]。在上述邊界條件都設(shè)置相同的情況下，對比兩種散熱系統(tǒng)在電池組1C充放電倍率下對電池散熱性能的影響，主要是對電池組最高溫度和最大溫差的影響。為了實驗的科學(xué)性和合理性，分別在環(huán)境溫度為305、308、311、315 K 下作對照實驗。圖5 為傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時電池的溫度場云圖；圖6 為新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度305、308、311、315 K 下，電池組放電時電池的溫度場云圖。

圖5 傳統(tǒng)“單冷卻室”散熱系統(tǒng)電池的溫度場云圖

圖6 新型“雙冷卻室”散熱系統(tǒng)電池的溫度場云圖

3.2 仿真結(jié)果討論

為了更加直觀地看出兩種散熱系統(tǒng)對電池組最高溫度和最大溫差的影響[6]，將云圖中的數(shù)據(jù)整理到表格中，見表2。

表2 兩種散熱系統(tǒng)下電池組的最高溫度和最大溫差 K

從表2 可以看出，在環(huán)境溫度為305、308、311、315 K 時，新型散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的低，說明新型散熱系統(tǒng)的冷卻性能和均溫性都得到了優(yōu)化改善。這是因為冷卻室中流入冷卻管道的冷卻液溫度基本都是相同的，將冷卻室冷卻后的低溫冷卻液和散熱管道中流出來的吸收過電池組熱量的高溫冷卻液完全分離開來了。從溫度場云圖中可以看出，傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度在遠離冷卻管入口位置的電池單體上，這是因為單冷卻室不能及時將冷卻液的溫度降下來，并且越遠離冷卻室的位置冷卻液溫度越高，就導(dǎo)致了這種現(xiàn)象，和預(yù)期結(jié)果一致。

為了進一步直觀地看出兩種散熱系統(tǒng)隨著環(huán)境溫度的改變，對電池組最高溫度和最大溫差的影響[7]，繪制圖7、圖8兩個折線圖。圖7 是兩種散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下電池組的最高溫度；圖8 是兩種散熱系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下電池組的最大溫差。

圖7 電池組最高溫度

圖8 電池組最大溫差

從圖7 可以看出，隨著環(huán)境溫度的增加，兩種散熱系統(tǒng)的最高溫度都在增加，但是降溫幅度增加，新型散熱系統(tǒng)電池組的最高溫度卻一直低于傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)。圖8 顯示，隨著環(huán)境溫度的增加，兩種散熱系統(tǒng)的最大溫差都在緩慢下降；新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差一直低于傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的；環(huán)境溫度為305 K 時，新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差為5.03 K；環(huán)境溫度為315 K 時，新型散熱系統(tǒng)電池組的最大溫差僅為1.5 K，完全滿足使用要求[8]。

4 實驗驗證

為了驗證本設(shè)計中三維模型的可行性，對其進行實驗驗證，借助單片機在電路板上搭設(shè)小型實驗?zāi)Ｐ?，通過單片機控制系統(tǒng)的運行。實驗設(shè)備主要包括散熱風扇、散熱鋁板、水冷裝置、溫度計、溫度傳感器等等，具體如圖9 所示。

圖9 實驗設(shè)備

對應(yīng)仿真分析的四組情況，設(shè)置環(huán)境溫度分別為305、308、311、315 K，測定對應(yīng)環(huán)境溫度下電池組的最高溫度和最大溫差，并與ABAQUS 仿真的結(jié)果進行比較，分析誤差，對比分析結(jié)果見表3。

表3 實驗與仿真對比分析

因為仿真結(jié)果和實驗結(jié)果中的最高溫度數(shù)據(jù)比較大，為了更加客觀地分析他們之間的誤差，這里采用相對誤差；同樣的，因為最大溫差的數(shù)據(jù)比較小，所以這里采用絕對誤差。從表格中可以直觀地看出，仿真結(jié)果和實驗結(jié)果的誤差都很小，可以驗證該模型的正確性。

5 總結(jié)

本文通過仿真分析和實驗驗證的方法，對傳統(tǒng)、新型散熱系統(tǒng)進行對照實驗，分析在不同環(huán)境溫度下，兩種散熱系統(tǒng)對電池組最高溫度和最大溫差的影響，得到以下結(jié)論：

(1)在其他條件相同的情況下，隨著環(huán)境溫度的變化，新型散熱系統(tǒng)中電池組的最高溫度和最大溫差都比傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)的低，新型散熱系統(tǒng)可以有效改善電池組的散熱性能；

(2)隨著環(huán)境溫度的降低，電池組的最高溫度降低，在低溫環(huán)境下應(yīng)該減少風扇的工作個數(shù)和降低冷卻液的流速以提高經(jīng)濟性；

(3)隨著環(huán)境溫度的降低，電池組的最大溫差增加，可以考慮通過改變冷卻管道的結(jié)構(gòu)形狀、布置部位來降低最大溫差。