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圓柱電池組的排列方式，采用COMSOL建立圓柱電池模型，并設置放電發熱條件，在相同布置形式不同風速的電池組以及不同布置條件下相同風速的電池組，對其做固體和流體傳熱（ht）仿真計算，獲得不同單體排列及不同進出風口開設下的溫度云圖分布，通過分析相同布置形式的出風口溫度云圖得出風速與溫度的關系，通過橫向對比不同布置形式的電池組溫度云圖，得出最優布置形式方案。

關鍵詞：電動汽車;電池組散熱;仿真研究;

1 引言

電動汽車的散熱主要是電池組散熱，由于散熱效果直接影響電動汽車的使用，所以動力電池組設計作為電動汽車三電系統設計是極為重要的，在有限的車體安裝空間中設計合理的電池組排列方式以及最佳的熱管理方案[1]。本文通過建立溫度場模型，對電池組模型進行二維仿真，雖然對模型有部分簡化，但還是可以分析出在不同布置形勢下的散熱效果，可以在使用中選擇圓柱電池的最優排布方式，提出降低電池組溫度的方法，可以在實際使用中用此方法延長電池組的壽命。

2 圓柱電池組溫度場建模與仿真條件

2.1 電池組二維模型建立與網格劃分

對模型進行了部分簡化的處理后，使用COMSOL進行了二維建模，建模如圖1所示，選擇了25個18650電池為一組進行建模，并只考慮了平行、X形以及梯形的布置形式，模型左邊藍色線條為進風口，右邊為出風口，如圖1所示。

(a）圖為平行布置形式電池排列方案，（b）圖為X形布置形式電池排列方案，（c）圖為梯形布置形式電池排列方案，三個方案的藍色邊緣的是進風口，右邊黑色并且凸起的邊緣為各個布置模型的出風口，圖中的25個圓形結構為18650圓柱電池的簡化模型。其中，（a）圖是平行型布置形式的簡圖，平行型布置形式的所有進風口吹進電池間隙，出風口也從電池的間隙中吹出，風從間隙中流過使得風遇到的湍流少，風的流速不會降低太多，可以帶走更多熱量；（b）圖是X形布置形式的簡圖，X形布置形式的所有進風口吹進電池間隙，出風口也都對應電池間隙，同樣的風從間隙中流過使得風遇到的湍流少，風的流速不會降低太多，可以最大限度地對單體電池進行散熱；（c）圖表示梯形布置形式的二維模型，梯形布置形式進風口正對電池間隙，出風口正對右邊三個電池的中心，梯形布置形式的出風口相對其他兩種布置形式面積一樣，但是較為集中。

┃圖1圓柱電池模型布置形式

2.2 電池組二維模型仿真放電條件

電動汽車日常使用工況復雜，由于電池內阻越小，電動汽車行駛時能達到的放電電流越大，并且車輛行駛時，動力電池的放電電流又會隨著車速的變化不停地增加減少，快速加速時電流會非常大，減速時的放電電流又較小。溫度的變化也會影響電池放電，溫度較高時電池電化學反應速率會加快，因此動力電池組的溫度也不宜過低。車輛負載的電路消耗電流大小也會影響動力電池箱的放電電流大小。因此，動力電池箱放電電流大小是一個瞬態值，隨著多種因素的變化而變化。使用COMSOL對圓柱電池組模型進行固體和流體傳熱（ht）仿真計算時，選擇了0.5C恒流放電倍率下的仿真分析[2]。箱體內部初始溫度以及進風口的仿真溫度均設置為293.15K(20℃），進口風速設為0.5m/s以及1.0m/s，選擇0.5C恒流放電倍率放電，時間長短設置為1h，圓柱電池模組的自然對流換熱系數設置為10W/m2·K。

3 電池組二維模型仿真數據分析

3.1 相同布置類型不同風速圓柱電池模型溫度云圖分布

分析相同布置類型不同風速的電池模型溫度云圖分布，選擇了25個18650電池為一組的平行布置，在不同的風速下溫度云圖分布，如圖2所示。

┃圖2圓柱電池模型平行布置不同風速下溫度云圖  

從上面溫度云圖可看出，在（a）圖為0.5m/s,(b）圖為1m/s的風速下，（a)(b）溫度場整體上分布相似。越接近進風口位置的單體電池溫度就越低，并且（a）圖中最高溫度達到57.1℃，（b）中最高溫度為46.8℃，（a）圖中最低溫度達到48.1℃，（b）圖中最低溫度為38.7℃，整體溫度（b）圖中較低。通過對比分析（a）圖與（b）圖的溫度云圖分布可得出，在相同排布設計下，風速是影響溫度的重要因素，風速越高，溫度越低。

3.2 不同布置類型相同風速圓柱電池模型溫度云圖分布

X形與梯形布置0.5m/s風速圓柱電池模型溫度云圖分布，如圖3所示。

┃圖3圓柱電池模型X形、梯形布置0.5m/s溫度云圖 

從上面溫度云圖可看出，在0.5m/s風速下，X形布置的圓柱電池最高溫度57.8℃，最低溫度為44.8℃，越接近進風口位置的單體電池溫度就越低。梯形布置的圓柱電池最高溫度57.8℃，最低溫度為47.8℃，接近出風口位置的溫度低。通過對比發現，圖2(a）平行布置中所有電池溫度都超過50℃，而X形布置云圖中有8個電池溫度低于50℃，17個電池溫度高于50℃，梯形布置云圖中所有電池溫度都超過50℃。通過對比分析平行、X形和梯形布置云圖，可以得出X形分布接近出風口的2個電池的最高溫度略高，但是整體溫度屬于最低。所以X形圓柱電池模型布置是散熱最好的選擇。

4 結語

未放電時環境溫度為293.15K、進口溫度293.15K以及風速一定的情況下，平行布置方案不論是箱內溫度場的均勻性以及單體電池對流換熱能力，平行布置方案都居于其他兩種排布方式中間，如果加大風速，但是平行布置可以保持電池溫度的一致性，加大風速，可以保持電池組的整體散熱條件下降低溫度[3]。梯形布置方式下溫度場溫差更小，由于出口流速限制，箱內冷卻風流速慢，雖然溫度一致性更好，但是梯形排列下箱內整體散熱能力較為一般，就算加大風速也會得不償失。X形排布方案與其他兩種布置方式相比，電池箱內的對流換熱能力更好，但單體電池最大溫差較大，不容易保持一致性，如果將最后2個電池的溫度進行優化，可以達到冷卻的最好效果。綜上，X形排布方案冷卻效果更為優秀。

參考文獻

[1] 羅丙荷,張汕姍,程云云.整車電池包熱管理設計方案[J].客車技術與研究,2020,42(3):34-36.

[2] 張方亮,黃澤波,李占鋒.不同放電倍率下鋰電池SOC估算分析研究[J].機械設計與制造,2018(6):262-265.

[3] 梁金華,李建秋,盧蘭光,等.純電動車電池組散熱必要性的初步分析[J].汽車工程,2012,34(7):589-591.

文章來源：汽車維修技師