电动汽车锂离子电池组散热优化设计

第20卷第3期2011年9月

计算机辅助工程ComputerAidedEngineering

Vol．20No．3Sept．2011

03-0001-05

电动汽车锂离子电池组散热优化设计

a

杨志刚，黄

ab慎，赵兰萍

（a．同济大学上海地面交通工具风洞中心，上海201804；

b．同济大学机械工程学院，上海201804）

摘要：针对电动汽车锂离子电池组散热不均匀会影响电池组使用性能、可靠性和安全性的问题，对

电池组散热方案进行优化设计．描述锂离子电池的产热模型，建立锂离子电池组三维模型，介绍计

CFD）计算涉及到的固体热传导和流体热传导控制方算流体力学（ComputationalFluidDynamics，

程；通过进风口角度的选择、进风口流速的选择、鼓风冷却和抽风冷却的对比以及锂离子电池局部

使用FLUENT进行数值仿真并得出各方案的总体流场特性、局部流倒角的选择确定几种散热方案，

发现当进风角度达到3°时，温度最高点和均速和温度分布情况．通过对各散热方案的对比和评估，

匀性有明显改善；在一定的速度范围内，提高进风口流速可以很好地改善系统的散热效果，但是当进风口流速超过某一范围（30m/s）时，散热效果递增不明显；对于相同的散热结构，鼓风冷却效果明显优于抽风冷却效果；通过电池组局部倒角等局部微小结构可以实现温度场优化．关键词：电动汽车；锂离子电池组；温度场；散热；FLUENT中图分类号：U469．72；U473．4；TB115．2文献标志码：A

Optimizationdesignonheatdissipationof

lithium-ionbatterypackinelectricvehicle

YANGZhiganga，HUANGShena，ZHAOLanpingb

（a．ShanghaiAutomotiveWindTunnelCenter，TongjiUniversity，Shanghai201804，China；

b．CollegeofMechanicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai201804，China）

Abstract：Tosolvetheeffectofnon-uniformheatdissipationonperformance，reliabilityandsecurityof

electricvehiclelithium-ionbatterypack，optimizationdesignschemesareproposedforbatterypack．The

ionbatterypackisbuilt，andthermalmodeloflithium-ionbatteryisdescribed，a3Dmodelforlithium-thecontrolequationsofsolidandfluidheatconductioninComputationalFluidDynamics（CFD）

calculationareintroduced．Severalheatdissipationstructuresaredeterminedbyselectionofdifferentinletanglesandvelocities，comparisonofblowingcoolingandsuctioncooling，andselectionoflocalrounds．Forthesestructures，thegeneralflowfieldcharacteristics，localflowvelocityandtemperaturefielddistributionaresimulatedbyFLUENT．Thecomparisonandevaluationindicatethat，themaximumtemperaturedecreasesandtheuniformityoftemperaturedistributionisobviouslyimprovedwhentheinletanglereaches3°；theheatdissipationperformanceisimprovedasinletvelocityrisesinproperrange，but

收稿日期：2011-02-28

修回日期：2011-05-27

（“九七三”基金项目：国家重点基础研究发展计划计划）（2011CB711203）

（E-mail）zhigangyang@tongji．edu．cn作者简介：杨志刚（1961—），男，辽宁鞍山人，教授，博导，博士，研究方向为车辆工程及空气动力学，

http：//www．chinacae．cn

ifthevelocityisgreaterthan30m/s，theheatdissipationperformanceisnotimprovedobviously；forthesameheatdissipationstructure，blowingmakesbettercoolingeffectthansuction；andthechangeoflocallittlestructuressuchaslocalroundscanperformtemperaturefieldoptimization．Keywords：electricvehicle；lithium-ionbatterypack；temperaturefield；heatdissipation；FLUENT

化学反应热，相对于极化热，锂离子电池的反应热相

［4］

对较小．KIM等用微量热计表征LixMn2O4的热行为．当充电倍率小于1C时，热过程可逆；大于1C时，热行为受不可逆过程控制（欧姆阻抗和过电位）．电池的热过程遵循以下方程

QT=Qe+Qa

（2）

0引言

动力电池作为电动汽车的能源部分，对整车性能有着重要的影响．目前，市场上的电动汽车多采用具有比能量高、比功率高、寿命长和污染少等优点的蓄电池驱动，尤以镍氢电池和锂离子电池为主流．其中，锂离子电池以其电压高、体积小、比能量高、循环性能好、自放电小和无记忆效应等，受到众多汽车厂商的重视．

一般情况下，在汽车设计时留给动力电池的空间很有限，同时车用锂离子动力电池在充放电过程中会伴随很大的热流量，如果不及时散热，很容易引起电池内的热量累积，影响电池的性能和安全．如果散热不均匀，更会造成电池组内温差很大．电池组温度场不均匀将造成各电池模块、各单体电池性能的最终影响整个电池组的使用性能和可靠性．不均衡，因此，为使动力电池系统能更好地发挥性能，同时保证安全，有必要对电池散热方案进行优化设计．

在此之前，很多研究工作者已经对锂离子电池组的总体布局进行系统的实验仿真研究，也提出各

［1-2］，其中，并行风冷的方法由于其较高种优化方案

的散热效率、较好的散热均匀性以及较低的成本得

到广泛应用，本文对并行通风的散热性能作进一步探讨．

式中：QT为电池内产生的总热量；Qe为电池传递到

外界的热量；Qa为电池自身吸收的热量，它直接影响电池的温度升降．本文工作就是在强制风冷的工

通过散热方案的优化，尽可能增大Qe，从作环境下，而减小Qa

．

图1

Fig．1

锂离子电池的工作原理

Workingprincipleoflithium-ionbattery

本文假设电池本身产生的热量在空间上分布均

匀，为实现电池组温度场的均匀分布，应该保证由对流换热带走的热量在空间上分布均匀．对于电池表面的局部对流换热，由牛顿冷却公式可得

q=h（TB－T0）

（3）

式中：q为电池表面单位面积的热流量，正值表示电

负值表示电池吸热；TB为电池表面局部温池放热，

度；T0为冷却介质局部温度；h为电池表面局部传热

控制h的大小以及h系数．本文通过改良散热结构，

在流场内分布的均匀性，实现对散热系统的优化．

1锂离子电池的产热模型

锂离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜等

如石墨等；正极则是构成．电池的负极是碳素材料，

含锂的过渡金属氧化物及其掺杂化合物，如LiCoO2

和LiMnO2等．

电池充放电时的化学反应式为LiMO2+6C幑幐Li1－xMO2+LixC6

放电充电

（1）

Mn和Fe等．图1为锂离子电池的工式中：M为Co，［3］

作原理示意，图中标示运动箭头的小球为从正极

+

的复合氧化物中脱出的Li．锂离子电池在工作过程中会以各种方式产生或吸收热量，这些热量会引

2

2．1

计算模型的建立

对研究对象建模

起锂离子电池本身的温度不断变化，若热量得不到很好的处理以致热散逸率小于热生成率，则会导致热失控．电池内各种过程产生的热量包括极化热和

http：//www．chinacae．cn

建立动力电池系统的数学模型是计算流体力学

（ComputationalFluidDynamics，CFD）仿真的必要条件．本文选取某款较为典型的车载锂离子电池为研究对象进行建 …… 此处隐藏：4307字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……