邱海赵1，罗智慧1，刘正耀3，阮旭松2，路哲藐2

（1. 北京市亿能通电子有限公司，北京 100044; 2.惠州市亿能电子有限公司，惠州 516006; 3. 中信国安盟固利动力科技有限公司，北京 102200）

    【摘要】对电池包进行热管理是纯电动汽车和混合动力电动汽车在所有气候条件下有效运行必不可少的。本文介绍了电池包的热管理系统功能，分析了温度对电池包性能和寿命的影响，指出了基于有限元分析的电池包冷风散热方式所采用的设计方法，能更有效的对电池包进行散热，提高电池包的性能和使用寿命。

    关键字：电动汽车；动力电池包；有限元ANSYS；冷风散热。 

    0前言

    电池包作为电动汽车的能量来源，是电动汽车最为关键的部件，它直接影响电动汽车的性能。而温度是影响电池包性能的重要因素之一，电池在工作中产生大量的热量受空间影响而累积，造成电池包各处温度不均衡从而影响电池包单体电池的一致性。此种情况会严重影响电池的功率和能量效率，最严重时还将会发生热失控现象，造成电池包的起火、爆炸等。为了让电池包处于最合适的工作状态，发挥出电池包的最佳性能和寿命，需要对电池包进行热处理。
　　　
    1热管理系统的功能介绍

    热管理系统主要功能是为了保持电池包的温度均衡，降低电池包中的温度分布不均，以避免温度不均而造成的电池包性能降低，并消除与热失控有关的潜在危险。现今的电动汽车所使用降温方式是通过使用空气、液体与电池直接或间接接触来主动或被动冷却电池包，热管理系统还包括了为电池包提供通风，保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出，从而保证安全的使用电池包[1]。
 
    2温度场分析基础介绍

    热分析用于计算一个系统或部件温度分布及其他热梯度、热流密度等热物理参数。热分析在许多工程应用中扮演着重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。Ansys软件是使用有限元法计算各节点的温度，并由其导出其它热物理参数，Ansys软件可以处理所有的3种主要热传递方式：热传导、热对流及热辐射。[1]

    本文介绍的是一种温度场的稳态分析，如果系统的净热流率为0，即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量：q流入+q生成-q流出=0，则系统处于热稳态，在稳态热分析中任一节点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为公式（2-1）： 　　　               

[K]{T}={Q}                                      （2-1） 

    式中：[K]是传导矩阵，包含导热系数、对流系数和形状系数；{T}是节点温度向量；{Q}是节点热流率向量，包含热生成。[2]

    陈科的电池单体生热模型。基于动力电池生热机理、散热特性的分析和热特性相关实验，从基本物理场出发建立统一描述热场-电场耦合的动力电池系统生热特性模型和热场-电场-流场耦合的动力电池系统散热特性模型。为动力电池单体及其成组应用的生热和散热问题提供可实现工程应用的理论描述和有效的研究方法，建立了公式（2-2）

      （2-2）

　　　式中，分别为简化后整体正、负极片集流体厚度，         分别为正负极片集流体真实厚度； 分别为简化后正、负极片等效内阻，且均为SOC,T的函数。 [3]

    3模拟电池包的流-固耦合散热分析

    模拟电池包的流-固耦合散热分析包括创建模型、FLUENT计算及后处理两大方面。

    3.1创建模型
   
    对电池包进行流-固耦合散热分析的首要工作就是创建几何模型，在创建几何模型时我们需要合理的命名几何模型的每一部分，使得接下来的工作有条理；在创建几何模型之后要对模型进行网格划分，要想划分出质量上乘的网格，需要对网格的大小、划分网格的方法进行控制；划分网格完成后需要对模型进行域的定义与指定边界条件， 最后就可以输出网格了。

    3.2FLUENT计算及后处理

    对模型的网格处理好了之后，需要运用FLUENT软件对模型进行计算及后处理。首先需要读入mesh文件并选择合适的求解器及物理模型，读入网格后必须检查网格的质量，确定网格的最小体积大于0；接着对模型的材料属性进行定义；完成对材料属性的定义后，接着对模型的边界条件进行定义，包含了流体区域材料类型定义、固体区域材料类型定义、热源的热生成定义、速度入口条件定义、压力出口条件定义、模型跟外部氛围的换热条件定义、热源相关的边界条件定义；定义完成之后对模型进行初始化处理，并设置求解器控制及收殓条件，接下来就可以进行计算了；计算完成后对模型进行后处理，创建我们需要的温度场分云图和速度矢量图等。

    4电池包冷风散热方式

    根据传热学理论，固体与气体，固体与液体接触会产生传热现象。本文介绍的冷风散热方法就是通过空气与电池包的热传递方式进行散热的。目前大部分电动汽车采用的冷风散热主要有并行和串行两种通风方式，如图1和图2所示。 
   

    
图1 串行通风

图2 并行通风

    串行情况下一般是使空气从电池包的一侧流向另外一侧，以便达到带走电池包热量的目的，而串行通风会出现空气把先流过的地方的热量带到后流过的地方，从而导致电池包两处温差较大。而并行通风方式下电池包的空间中的空气为下降的气流，这可以均匀的带走热量，以便保证电池包的温度均衡，不会出现串行通风时在一个区域内出现热量累积、温度较高等现象，如图3和4所示。 

图3 串行散热     

   

图4 并行散热

    4 结论

    在选择电池包的冷却系统需要根据电池包的特性，有些电池包不需要散热就可以正常运行，有些电动汽车的电池包却需要冷却系统才能够正常运行，冷却方式除了空冷外还有水冷散热，本文着重介绍了空冷散热的两种方式，综合分析得出空冷散热的并行通风方式更有利于电池包的散热与温度均衡，而更好的散热效果与温度均衡效果有利于提高电池包的使用效率与使用寿命，大大的提高了电池包的安全性能，消减了由热失控引起的潜在危险。

    参考文献 
    [1] Ahmad A.pesaran，Steve burch，   Matthew keyser. An approach for designing thermal management systems for
electric and hybrid vehicle battery packs[C]. The Fourth Vehicle Thermal Management System Conference and Exhibition，May 1999. 

    [2]浦广益.  ANSYS Workbench12基础教程与实例详解. 中国水利水电出版社，2010年版.

    [3]陈科，动力电池系统热特性实验与理论研究[D].北京：北京理工大学博士论文，2010：12-28