优化电动汽车电池组的散热
优化电动汽车电池组的散热
电动汽车的电池组是关键组件，其寿命和性能受温度影响。本文研究了进出风口位置和电池单元间隙对电池组散热和温度分布的影响。通过计算流体动力学模型，发现进出风口的位置和形状对散热效果有显著影响。提出了一种设计来减小电池单元之间的温度变化，降低最高点和最低点之间的温差，并提升散热率。结果显示，温差降低了39%，散热率提高了3.8%。
介绍
为了帮助缓解全球变暖和原油枯竭，对于长途旅行，车辆将配备更大的电池组，因此会产生大量热量。单个电池可能会发生过热和故障并降低整个电池组的性能；因此良好的通风系统设计可以快速带走高功率需求（急加速、爬坡等）产生的巨大热量，保持电池组的性能和可靠性。
通风系统的常见传热类型是风冷、液冷、相变冷却或任意组合。风冷系统具有结构简单、重量轻、成本低、易于维护和维修、无漏液问题等优点。适用于电动汽车。
随着高龄人口的增加，针对长者需求而设计的车辆逐渐增多，专注于老年人的短途旅行需求，打造智能、轻便、锂电动力-离子电池。
一些学者已经对电池组进行了一些系统通风。他们还使用传热原理和有限元分析 (FEA) 来预测电池组中电池的温度分布。根据仿真结果，每增加一行电池，串联通风系统的温度就会升高 1.2°C。最后，他们着重解决了电池集成问题。
实验结果表明，将电池组温度保持在 25°C 的情况下，对于所有三个行驶交通循环，电池组的热性能均最佳。
建模
电池包传热过程是典型的场-热耦合现象。热量从核心传递到外壳，同时冷却空气通过电池外壳带走热量。电池组中有三十二个电池单元，排列成八行四列。
电池之间的间隙相距 15 毫米。两个入口位于包装的正面和背面，两个出口位于包装的顶部。入口与间隙2和间隙4的中心对齐，如图1所示。机身采用铝合金材质，厚度为3mm。分析模型包括单体电池、电池组和通风系统。每个部分在以下部分中进行了描述。
图1：电池组结构示意图
2.1. 晶胞
探索整个电池组的温度分布，使用块电池系统，电池单元采用单芯和热稳定性塑料外壳建模。电池呈长方体形状，尺寸为 75 mm（长）×150 mm（宽）×150 mm（高）。
电芯外壳材料为3mm厚的耐热塑料。假定单元电池的发热功率为 12.8 W。表 1总结了用于分析的详细属性。细胞的网格尺寸为 5 mm × 5 mm × 5 mm。所有单元格均采用结构网格、六面体单元，如图2所示。总共为 32 个单元格创建了 432,000 个网格。
图2：电池单元网格划分示意图
2.2. 电池组和通风系统类型
整个电池组由三十二个电芯组成，排列成八行四列。电芯之间的间隙会影响电池组的散热。基线设计中使用了 15 mm 的间隙。
电池组外壳由铝合金制成，厚度为3毫米。为了在机箱两端安装四个风扇，四个50mm×50mm的开孔正对着间隙2和间隙4，两个出风口位于电池组的顶部。
传统串联通风系统中冷却系统的进风口和出风口同向布置，如图3所示，冷却空气通过第一排电池，然后是第二排，然后依次流过其余电池，直到最后一排并离开。
冷风从进风口进入，与第一排电芯相遇，吸收电芯产生的热量，不断从电芯间的缝隙中流过，直到最后一排。由于空气依次流过整个电池包，空气的温度越高，携带热量/传热的能力越低。第二行的电池温度高于第一行的电池温度，依此类推。但是，最后一排电池更靠近出风口，更容易散热；它的温度低于它之前的那一行。
图3：传统串联通风系统示意图
传统的串联通风系统一般电池间温差较大。所以使用半串联通风系统来改善这种情况。电池组中有三十二个电池单元。详细结构和尺寸如图4所示。
图4：半串联通风系统结构示意图
2.3. 计算流体动力学 (CFD) 模型
为了保持网格尺寸的均匀性，流体和结构的单元长度必须一致。在这项研究中，使用了 CFD 预处理软件 GAMBIT。整个包装选择 5 毫米的网眼尺寸。
所有单元格均采用结构网格，六面体单元，三十二个单元格共计432,000个网格。包内流场采用非结构网格，四面体单元，网格数约200万个。电池之间至少使用了三层或更多层，如图5所示。
图5：电池组内部网格划分示意图
为了简化模型和节省计算时间，本研究作了以下假设。
1.包内流体为空气，雷诺数（Re）为23058，相关流场为湍流。
2.进气风扇的性能曲线如图6所示。
3.遵守流体与细胞表面之间的无滑移边界条件。
4.入口处的室温为 300 K（约 27°C），压力为一个大气压。
5.为了了解所提出的巡航模式下散热的传热特性，选择了稳态流场分析。
图6：进气风扇性能曲线
基线设计模拟
下图显示了半串联通风系统的电池组中的温度分布，电池表面的最高温度为 43.96°C，而整个电池组的最高温度为 46.98°C，发生在电池内部的核心。下图显示电池组两端（第 1 行和第 8 行）的电池温度较低，这是因为这些电池靠近冷却空气的入口。但是，电池组内第 1 列和第 4 列之间的电池具有更高的平均温度。
图7：基线设计温度分布图
电池组内冷却空气的速度如图8所示；Gap 2和Gap 4处的速度较快，约为6.32 m/s，而Gap 1和Gap 5处的冷却空气速度分别大部分低于1 m/s（图中pack的空白部分）。
将电池组中每个电池的最高温度绘制成条形图，如图9所示。电池组内电芯温度呈对称分布，第1排和第8排电芯靠近进风风扇，温度较低，中间两列（2列和3列）电芯温度低于侧面电芯，因为冷却风进风口面向Gap 2和Gap 4，PACK出风口位于Gap 3处，位于电芯上方，阻力较小；大部分冷却空气流经此路径并带走电池产生的热量。
图9：电池组温度分布条形图
只有少量的冷却空气以低于 1 m/s 的速度流过最外面的缝隙，即缝隙 1 和 5。冷却效果有限，因此，第1列和第4列的外部电芯温度较高。
温度分布的均匀性是影响电池组性能和可靠性的重要因素之一。在这项研究中，电池组中的最高电池温度减去每个电池的温度（T max − T cell）被用来表示温度分布的均匀性。基准设计中的最大温差为-6.04°C（负号表示温度低于最大温度）；B 21、B 28、B 31和 B 38超过文献中推荐的 5°C 值。
图10：温度分布均匀性分析
设计优化
整个包装结构的总尺寸和进气风扇的总风量保持不变；即进风口的数量和进风口的尺寸是固定的。在这些约束下，优化是找到入口和出口的理想位置，以及电池单元之间的间隙。
4.1. 进口方向的优化设计
为了改善温度分布的不均匀性，第一步是在基本位置调整入口，而出口位置不变。如图11所示。
图11：进口方向优化设计示意图
电池表面最高温度为 46.27°C，电池内部最高温度为 49.7°C。表面和核心之间的温差为 3.43°C。下图的正视图显示面向入口的四个电池（B 21、B 28、B 31和 B 38）是电池组内最冷的电池（表面温度为 35.99°C）。
观察Type 2的速度图可知，较高流速（6.37 m/s）的冷却空气满足B 21、B 28、B 31和B 38直接向上排向出风口，导致其他电芯的冷风速度较慢，尤其是处于整个组件中心位置的四块电芯（B 24 、B 25 、 B 34和B 35），只接收到一个流速低于 1 m/s 导致散热不畅。
绘制了类型 2 中每个电池的最高温度（发生在核心），如图12所示。电池温度呈对称分布；详细数据见表4。尽管 Column 2 和 Column 3 的进气口面向电池，但冷却空气进入电池组并遇到 B 21、 B 28、 B 31和 B 38并飞到阻力相对较低的顶部出口，导致这些两列的电池温度高于列 1 和列 4。电池组内部的最大温差如表 5所示。
图12：优化设计温度分布图
4.2. 出口位置优化设计
所提出的半串联通风系统的冷却方式类似于串联通风系统。位于电池组前后的四个风扇迫使冷却空气流入电池组并通过电池组顶部的出口排出。当冷却空气流入电芯间隙时，具有更好的冷却效果；因此，新的设计理念将入口位置固定在Pack面向Gap 2和Gap 4的两侧，并调整出口位置以实现优化设计。
首先，出口开口的位置仍将分配在包装的中间间隙（间隙 3）。Type 4的设计理念是将基线设计的出口位置向中心调整。类型 5 将两个出口位置直接合并到包装的中心，形成一个开口。考虑出风口面积应与基线设计和其他设计相同；因此，类型 5 中单个出口的总面积等于基准设计的双出口（5000 mm 2). 类型 4、类型 5 和相应位置的基线设计如图 23所示；CFD 模拟设置方面与基准设计相同。
结果表明，核心部分的最高温度为 46.71°C，表面温度为 43.73°C。温度分布呈对称分布；详细数据见表9。毕竟 Type 4 温度分布、冷却空气速度和最高核心温度的正交视图，不仅是前排和后排（Row 1 和 Row 8）的电池，更靠近冷却空气入口。因此不仅温度较低，而且热量集中在十二个单元格中（B 12 ∼ B17和 B 42 ∼ B 47 ), 导致来自列 1 和列 4 上方以及来自间隙 1 和间隙 5 的冷却空气流速低于 1 m/s。对于Column 2和Column 3，电池温度相对较低，因为出口位置位于两列之间的间隙处；流向出风口的冷却气流阻力小，流量大，容易将电芯的热量排出。表 10显示最大电池温差为 −4.96°C；说明Type 4的出风口设计可以有效提高温差的均匀性。
图13：出口位置优化设计示意图
通过改变冷却风进出风口的位置、出风口的形状，并结合电芯间隙大小的不均匀性，根据仿真结果，半串联通风设计可有效降低电池组最高温度和最大温差低于限制，电芯最高温度降低3.8%，电芯表芯最大温差减少了 8.7%。温度分布的均匀性提高了39%，最终延长了电芯的使用寿命，提高了电池组的可靠性。
图14：优化前后温度对比
图15：优化前后散热效果对比