电动汽车电池组散热仿真研究
摘 要：首先使用平行布置形式、X形布置形式以及梯形布置形式圆柱电池组的排列方式，采用COMSOL建立圆柱电池模型，并设置放电发热条件，在相同布置形式不同风速的电池组以及不同布置条件下相同风速的电池组，对其做固体和流体传热（ht）仿真计算，获得不同单体排列及不同进出风口开设下的温度云图分布，通过分析相同布置形式的出风口温度云图得出风速与温度的关系，通过横向对比不同布置形式的电池组温度云图，得出最优布置形式方案。
关键词：电动汽车;电池组散热;仿真研究;
1 引言
电动汽车的散热主要是电池组散热，由于散热效果直接影响电动汽车的使用，所以动力电池组设计作为电动汽车三电系统设计是极为重要的，在有限的车体安装空间中设计合理的电池组排列方式以及最佳的热管理方案[1]。本文通过建立温度场模型，对电池组模型进行二维仿真，虽然对模型有部分简化，但还是可以分析出在不同布置形势下的散热效果，可以在使用中选择圆柱电池的最优排布方式，提出降低电池组温度的方法，可以在实际使用中用此方法延长电池组的寿命。
2 圆柱电池组温度场建模与仿真条件
2.1 电池组二维模型建立与网格划分
对模型进行了部分简化的处理后，使用COMSOL进行了二维建模，建模如图1所示，选择了25个18650电池为一组进行建模，并只考虑了平行、X形以及梯形的布置形式，模型左边蓝色线条为进风口，右边为出风口，如图1所示。
(a）图为平行布置形式电池排列方案，（b）图为X形布置形式电池排列方案，（c）图为梯形布置形式电池排列方案，三个方案的蓝色边缘的是进风口，右边黑色并且凸起的边缘为各个布置模型的出风口，图中的25个圆形结构为18650圆柱电池的简化模型。其中，（a）图是平行型布置形式的简图，平行型布置形式的所有进风口吹进电池间隙，出风口也从电池的间隙中吹出，风从间隙中流过使得风遇到的湍流少，风的流速不会降低太多，可以带走更多热量；（b）图是X形布置形式的简图，X形布置形式的所有进风口吹进电池间隙，出风口也都对应电池间隙，同样的风从间隙中流过使得风遇到的湍流少，风的流速不会降低太多，可以最大限度地对单体电池进行散热；（c）图表示梯形布置形式的二维模型，梯形布置形式进风口正对电池间隙，出风口正对右边三个电池的中心，梯形布置形式的出风口相对其他两种布置形式面积一样，但是较为集中。
┃图1圆柱电池模型布置形式
2.2 电池组二维模型仿真放电条件
电动汽车日常使用工况复杂，由于电池内阻越小，电动汽车行驶时能达到的放电电流越大，并且车辆行驶时，动力电池的放电电流又会随着车速的变化不停地增加减少，快速加速时电流会非常大，减速时的放电电流又较小。温度的变化也会影响电池放电，温度较高时电池电化学反应速率会加快，因此动力电池组的温度也不宜过低。车辆负载的电路消耗电流大小也会影响动力电池箱的放电电流大小。因此，动力电池箱放电电流大小是一个瞬态值，随着多种因素的变化而变化。使用COMSOL对圆柱电池组模型进行固体和流体传热（ht）仿真计算时，选择了0.5C恒流放电倍率下的仿真分析[2]。箱体内部初始温度以及进风口的仿真温度均设置为293.15K(20℃），进口风速设为0.5m/s以及1.0m/s，选择0.5C恒流放电倍率放电，时间长短设置为1h，圆柱电池模组的自然对流换热系数设置为10W/m2·K。
3 电池组二维模型仿真数据分析
3.1 相同布置类型不同风速圆柱电池模型温度云图分布
分析相同布置类型不同风速的电池模型温度云图分布，选择了25个18650电池为一组的平行布置，在不同的风速下温度云图分布，如图2所示。
┃图2圆柱电池模型平行布置不同风速下温度云图
从上面温度云图可看出，在（a）图为0.5m/s,(b）图为1m/s的风速下，（a)(b）温度场整体上分布相似。越接近进风口位置的单体电池温度就越低，并且（a）图中最高温度达到57.1℃，（b）中最高温度为46.8℃，（a）图中最低温度达到48.1℃，（b）图中最低温度为38.7℃，整体温度（b）图中较低。通过对比分析（a）图与（b）图的温度云图分布可得出，在相同排布设计下，风速是影响温度的重要因素，风速越高，温度越低。
3.2 不同布置类型相同风速圆柱电池模型温度云图分布
X形与梯形布置0.5m/s风速圆柱电池模型温度云图分布，如图3所示。
┃图3圆柱电池模型X形、梯形布置0.5m/s温度云图
从上面温度云图可看出，在0.5m/s风速下，X形布置的圆柱电池最高温度57.8℃，最低温度为44.8℃，越接近进风口位置的单体电池温度就越低。梯形布置的圆柱电池最高温度57.8℃，最低温度为47.8℃，接近出风口位置的温度低。通过对比发现，图2(a）平行布置中所有电池温度都超过50℃，而X形布置云图中有8个电池温度低于50℃，17个电池温度高于50℃，梯形布置云图中所有电池温度都超过50℃。通过对比分析平行、X形和梯形布置云图，可以得出X形分布接近出风口的2个电池的最高温度略高，但是整体温度属于最低。所以X形圆柱电池模型布置是散热最好的选择。
4 结语
未放电时环境温度为293.15K、进口温度293.15K以及风速一定的情况下，平行布置方案不论是箱内温度场的均匀性以及单体电池对流换热能力，平行布置方案都居于其他两种排布方式中间，如果加大风速，但是平行布置可以保持电池温度的一致性，加大风速，可以保持电池组的整体散热条件下降低温度[3]。梯形布置方式下温度场温差更小，由于出口流速限制，箱内冷却风流速慢，虽然温度一致性更好，但是梯形排列下箱内整体散热能力较为一般，就算加大风速也会得不偿失。X形排布方案与其他两种布置方式相比，电池箱内的对流换热能力更好，但单体电池最大温差较大，不容易保持一致性，如果将最后2个电池的温度进行优化，可以达到冷却的最好效果。综上，X形排布方案冷却效果更为优秀。
参考文献
[1] 罗丙荷,张汕姗,程云云.整车电池包热管理设计方案[J].客车技术与研究,2020,42(3):34-36.
[2] 张方亮,黄泽波,李占锋.不同放电倍率下锂电池SOC估算分析研究[J].机械设计与制造,2018(6):262-265.
[3] 梁金华,李建秋,卢兰光,等.纯电动车电池组散热必要性的初步分析[J].汽车工程,2012,34(7):589-591.
文章来源：汽车维修技师
