锂离子动力电池包CFD仿真
王东，李昌盛，杨志刚
（同济大学汽车学院，上海201804）
摘要：针对电动汽车锂离子电池包设计过程中需要注意的散热问题，通过对某电池包模块的几何模型进行简化建立相应的计算模型，通过FLUENT仿真，从多个角度分析不同设计方案对电池包散热性能的影响.通过对仿真结果的对比和分析，发现随着电池包进口风速的增加，电池包的散热性能逐步提升；但超过一定速度后，进一步提升进口风速对电池散热性能的提升效果有限.电池叉排比顺排散热性能要好；随着电池间距的增加，电池包的散热性能随之提升，且改变纵向间距对散热性能的影响大于改变横向间距；边界距离对电池包散热性能的影响较大，距离的减小能提升电池包的散热性能.
关键词：电动汽车；散热；流场；温度场；数值模拟；FLUENT
中图分类号：TM912.9；U469.722文献标志码：B
CFDsimulation onlithium-ionpowerbatterypack
WANG Dong LI Changsheng YANG Zhigang
Abstract:As to the heat dissipation issues in the design process of lithium-ion power battery pack ofelectric vehicles a putational model isbuilt by simplifying the geometric model of abattery packmodule，andtheheat dissipation performanceofdifferent design schemesofbatterypacksisanalyzedbyFLUENT simulation frori multiple aspects.The parison and analysis on simulation results show thatthe performanceofheat dissipation onbattery packsis graduallyimprovedwith the increase of inletvelocity，but when the velocity exceeds a certain value，no apparent improvement of heat dissipationperformance of battery packs occurs.The performance of heat dissipation on staggered battery packs isbetter than. that on aligned battery packs;the heat dissipation performance of battery packs can beimprovedbyincreasing battery spacing，and thceffectofvertical battery spacing onheatdissipationperformance is larger than that of lateral battery spacing;the boundary distance hasa significant effect onheat dissipation performance of battery packs，and the decrease of boundary distance can improve the heatdissipation performance of battery packs..
Key words:electric vehicle;heat dissipation;flow field;temperature field;numerical simulation;FLUENT
0引言
随着石油资源的日益减少和排放法规的逐步严格，电动汽车逐渐受到各大车企的重视，而动力电池是发展电动汽车最主要的制约因素之一，动力电池是电动汽车的主要储能元件，作为电动汽车的关键部件之一，直接影响电动汽车产业化的进程.锂离子电池以其体积小、比能量高、循环寿命长、环境污染小和安全性高等优点成为电动汽车的首选电源，受到众多汽车厂商的重视.2
在传统燃油汽车上，车载电池主要用作汽车空调和汽车电子设备的能量源，所受负载十分有限，工作时一般不会产生大量热；对于电动汽车，锂离子电池作为主要能量源，承受的负载和热负荷大大增加，若不及时将电池工作时产生的热量带走，不仅会对电池的性能和使用寿命产生影响，而且可能引起电池热失控，导致爆炸.因此，良好的散热结构对保证动力电池包的正常工作，保障电池的使用寿命和安全性、可靠性具有重要意义.4]
1几何模型与简化
1.1模型简化
动力电池结构复杂，在对电池包进行建模前，须对电池热物理模型作必要、合理的简化.本文将电池简化为内部热源和电池外壳的模型，其中，假设电池
内部的组成部分（如隔板、正极、负极和活性物质等）为各向同性的固体，内部热源通过热传导，在电池壳体表面与外部流动的冷却空气进行热交换，达到散热的目的电池模型简化示意见图1，其中，电池内部的热量
图1模型简化示意Fig.1Schematic diagram ofsimplified model
式中：p为流体密度；为时间；k为湍动能；e为耗散率；u为与壁面平行的流速；n为壁面法向坐标；μ为湍动黏度：G为由平均速度梯度引起的湍动能的产生项；C=1.44；C=1.92；a=1.0；o=1.3.
Q通过电池壳体与外部空气Q进行热交换，带走电池工作时产生的热量；T为电池内部的温度；T为冷却空气的温度.
1.2几何模型
对某型电池包电池模块组的初步设计方案作合理简化后建立如图2所示的计算模型，每个单体电池直径为18.4mm.高度为65mm.16个单体电池等间距排列.上边界面离电池顶部距离为10mm，下边界面离电池底部距离为5mm，两侧壁面与电池间距为5mm，人口距第一排电池160mm，出口距最后一排电池240mm.
图2电池包模块三维计算模型Fig. 23D putational model of hattery pack module
2湍流模型与边界条件
2.1湍流模型
对于电池包，除第一排电池保持外掠单管的特征外，从第二排电池起，气流将被前排电池引起的涡旋干扰，流动状况比较复杂.据文献[6]可知，在雷诺数Re≤10时.前排电池尾部出现的涡旋不强，受到黏滞力的作用，涡旋会很快消失，对下一排电池的影响很小；随着Re的增大，电池间的湍流强度随之增强，气流紊乱程度增强，电池之间的流动状况越加复杂；在Re≤10时，可视为混合工况，即夹杂着湍流的层流，在部分结构相对简单的部位以及电池前部为层流工况.在结构复杂的区域或电池尾部的部分区域为湍流工况.在该种混合工况下，适合使用低雷诺数湍流模型，其对解决低速低雷诺数下的流动问题有着很好的适应性.
综合以上分析，本文仿真的湍流模型选择为低雷诺数湍流模型.关于k和e的输运方程为
2.2控制方程(7]
有内热源的固体控制方程为
(1)
(2)
(3)
式中：9为温度；入为热导率；c为比热容；Q为固体内部生成热.
流体控制方程为
式中：为通用变量；r为广义扩散系数；S为广义源项；u为速度矢量
2.3边界条件
图4电池温度与进口风速的关系Fig.4Relationship between battery temperature andinlet velocity
本文电池包模块采用的单体电池额定电压为3.6V.额定容量为2050mAh.假设该电池发热稳定，在某特定工况下的发热功率为1.5W，发热量以体热源形式加载到电池内部.所选用锂离子电池的平均密度为2575kg/m，平均比热容为932J/（kg℃），平均热导率为1.04W/（m℃）.
3.2电池排列方式的影响
电池温度与排列方式的关系见图5，可知，就电池的排列方式而言，叉排比顺排散热性能要好.取电池的中间截面z=0.03m，分析该截面上的流线图，由图6可知，顺排时流线较平顺，流动阻力较小，气流乱程度较低；由图7可知，叉排时由于受到电池的阻碍，流动阻力相对较大，气流紊乱程度增大，可增加电池与冷却气流的换热能力，降低电池温度，改善电池包的散热性能.
人口边界条件选择为速度入口，出口边界条件为压力出口；环境温度设为20℃；壁面设置为无滑移绝热壁面边界条件；电池与冷却空气的接触面设置为表面发热量为0的耦合边界面；采用基于压力的SIMPLE算法，2阶迎风格式.
3仿真分析
分别从进风口风速、电池排列方式（顺排和叉排）、电池间距和边界距离（最外侧电池与电池包外壳的距离）等不同角度，分析锂离子电池模块的散热性能.通过FLUENT对不同散热形式进行仿真分析，得到电池包模块内部的温度场和流场分布，通过比较电池表面平均温度，分析不同散热结构下电池包的散热效果，确定合适的散热形式.为方便分析，先对每个单体电池进行编号，电池编号示意见图3.
图5电池温度与排列方式的关系
Fig.5Relationship between battery temperature andarrangement
图6顺排设计电池模块截面流线
图3电池编号示意Fig.3Schematic diagram of battery ID
Fig. 6Streamlines of battery module section in aligned design
3.1进风口来流速度的影响
电池温度与进口风速的关系见图4，可知，随着风速的增大，电池表面平均温度降低，即换热能力增强，电池包的散热性能逐步提升.当人口风速小于5m/s时，风速的增大对提升电池包散热性能效果显著；当入口风速超过5m/s时，进一步增大风速对提升电池包散热性能效果不明显.
图7叉排设计电池模块戴面流线Fig. 7Streamlines of battery module section instaggered design
3.3间距对冷却效果的影响
同时改变电池的横向间距（沿y方向）和纵向间距（沿x方向），得到电池温度与电池间距的关系曲线，见图8，可知，随着电池间距的增大，流过电池间的通风量增加，电池包的散热性能随之提升.当间距较小时，电池间隙间的流动阻力较大，相比较而言，两侧的阻力较小，导致气流绝大部分从电池包两侧通过，从正面横向掠过电池的气流较少.故在电池间距较小时，外侧电池由于受到边界冷却气流的影响，温度较低；中间区域电池冷却效果相对较差，温度较高，且当电池间距较小时，温度差异尤为明显.同时，间距的增大对第一排电池的影响较小，当间距大于3mm后，继续增大电池间距，对提升散热性能效果不明显.
图8电池温度与电池间距的关系Fig.8Relationship between battery temperature andbattery spacing
保持电池纵向间距为3mm，改变电池的横向间距（沿y方向），得到电池温度与电池横向间距的关系曲线，见图9，可知，当横向间距增大时，电池包的散热性能逐步提升，但改善幅度较小，当间距大于3mm后，改变的幅度趋于0.
图9电池温度与电池横向间距的关系Fig.9Relationship between battery temperature andlateral battery spacing
保持电池横向间距为3mm，改变电池的纵向间距（沿x方向），得到电池表面平均温度与电池纵向间距的关系曲线，见图10，可知，当纵向间距增大时，电池包的散热性能逐步提升，其中前两排电池的影响较为明显，后两排电池的影响则相对较小.因此，改变纵向间距对提升电池散热性能好于改变横向间距.
图10电池温度与电池纵向间距的关系Fig. 10Relationship between battery temperature andvertical battery spacing
3.4边界对冷却效果的影响
取电池间距为1mm，分析边界面与最外侧电池距离对电池包散热性能的影响，电池温度与边界距离的关系见图11，可知，边界距离对电池包散热性能影响较大，随着边界距离的增大，电池包散热性能逐步降低.由于电池间距较小，电池两侧流动阻力远小于电池包中间区域；当继续增大两侧边界距离时，进一步减小边界处流动阻力导致气流更多地从电池包两侧间隙流过，减少与电池换热的冷却气流量，电池包散热性能降低；各单体电池之间的温度差异性凸显，电池包的一致性降低，影响电池使用寿命.另外，改变边界距离对前排电池影响较小，但随着电池排数增加，其影响越加明显，故当电池排数较多时，应充分考虑边界距离对电池散热性能的影响.
图11电池温度与边界距离的关系Fig.11Relationship between battery temperature andboundary distance
4结论
从不同角度对电池包的散热性能进行模拟仿真，通过对比分析可知：
(1）随着人口风速的增大，电池包的散热性能逐步提升.当超过一定风速后，进一步增大风速对提升电池包散热性能效果不明显，
（2）就电池包的排列方式而言，叉排形式比顺排散热性能要好.
（3）随着电池间距的增大，流过电池间的通风量增加，电池包的散热性能随之提（下转第10页）
模型计算结果与Helmholtz共振腔高阶频率存在差态，偏差为1.5%.考虑到气动噪声分析频率分辨率异性，峰值频率偏差达到9%.提取管道系统声模因素，可以认为仿真结果与共振峰频率吻合较好.
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的提升要好于改变横向间距.
（上接第4页）升，且改变纵向间距对电池散热性能随着边界距离的减小，电池包的散热性能逐步提升；同时，当电池间距较小时，边界距离对电池均匀性的
(4)边界距离对电池包散热性能的影响较大，影响较突出.
参考文献：
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