石自浩，韩晓宣

（200093 上海市 上海理工大学）

0 引言

当前，环境保护与节能减排日益受到重视，电动汽车已经成为汽车行业的主流发展方向。电动汽车中动力电池包如果出现故障将造成严重后果，电池包最容易出问题的系统是热管理系统，因此正确高效的电池包散热管理系统设计就显得尤为重要。

王阳[1]等人提出了一种适用于集中电机驱动纯电动汽车的电池包设计流程；张瑞[2]等人在纯电动汽车电池包箱体模态分析及优化的研究中，运用Workbench 建立了某种形式的电池包箱体有限元模型，对其进行模态分析，提取了1～6 阶模态下的固有频率和振型；LI Shui[3]等人在电动汽车电池箱的设计优化中，提出了一种优化电池箱机械特征的方法；BERNARDI[4]等人提出了一种电池生热率计算式，该计算式基于电池内部材料发热均匀，为电池包的温度场仿真热分析热源生热提供了理论依据。关于电池包热管理系统的设计与研究较少，本文提出一种较新颖的设计与仿真方法。

本文利用SolidWorks 进行三维建模，将数据导入COMSOL 进行热力学仿真，在确定电池包总成的基础上进行热管理系统设计。系统由散热系统通风结构、温度采集模块、热力学仿真分析和电池散热系统控制策略4 部分组成。

1 电池包总成

为充分利用电池箱内部有限的空间及合理布置线束，将电池箱分为2 层：电池模组置于下层，电池管理系统、继电器、熔断器及线束置于上层，显示器置于靠近上层侧箱，如图1 所示。

图1 电池包电器布置总装配图Fig.1 General assembly diagram of battery electrical layout

电池包内根据设计要求共分为6 个模组，动力蓄电池模组是蓄电池单体的集成形式，它占据了整个电池箱的大部分空间，而蓄电池单体的尺寸形状又由其相关参数决定[5]。图2 是电池模块布置方案。

图2 电池模组布置方案图Fig.2 Battery module layout plan diagram

线束合理化设计需要满足电磁兼容和总线冗余要求[1]。电池包通讯线束由各电池模组经过CAN总线传输给电池管理系统（BMS），动力线串联6个电池模组，并通过总正、总负输出端与电池箱上层结构中的线路盒内的保险丝、高压主正继电器、高压主负继电器、预充电继电器、预充电阻、电流传感器相连接。整车电路系统拓扑图如图3 所示，电池包电路布置图如图4 所示。

图3 整车电路系统拓扑图Fig.3 Circuit system topology of the whole vehicle

图4 电池包电路布置图Fig.4 Battery pack circuit layou

2 热管理系统设计

当前动力电池散热主要有自然冷却、风冷、水冷3 种形式[6]。从成本、制造难度、技术、电池蓄电池持续放电需求等方面考虑，本文动力电池包热管理系统采用风冷方式。强制风冷可分为串行风冷和并行风冷。基于电池包结构及电芯排布形式，电池包散热采用串行风冷的形式。本文电池包热管理系统设计内容主要包括散热系统通风结构、温度采集模块、热力学仿真分析、散热系统控制策略。

2.1 散热系统通风结构

散热系统包括风扇、温度传感器、相关线束等[7]。动力电池包风冷形式中，散热系统通风结构分为串行通风结构和并行通风结构，其中串行通风结构电芯排布简单要求较低，而并行通风结构散热效果较好，但其电芯排布及固定方式较为复杂。综合散热需求，所设计动力电池包散热系统通风结构采用串行通风形式，如图5 所示。电池箱后部侧板设置2个60 mm×60 mm 的风扇，箱体前部设置有通风口，通风口设有百叶窗式防水罩用于电池包防水。

图5 电池包散热系统通风结构Fig.5 Ventilation structure of battery pack cooling system

2.2 温度采集模块

温度测量方法中，温度传感器类型、数量、测点位置、测量精度等对电池包散热系统的控制精度都具有重要影响[8]。电池管理系统需要监测电池包至少30%的单体，而电池包共108个单体，6个模组，每个模组为18 块单体，采用6 个温度传感器监测。传感器均匀排布在电池组阵列中间电芯外表面，检测电池发热量最大的部位。BMS 的每个BSU 从控采集模块共采集18 路电芯温度，实时与BMU 主控模块进行通讯监测电池包温度，经BMU 分析处理，通过其FANOUT 通道控制电池包风扇的启动与关闭，若监测到温度异常BMU 将通过HOTOUT 通道输出告警或切断主回路继电器。

2.3 热力学仿真分析

2.3.1 热力学理论基础

（1）热传递方式

电动汽车电池包热量传递方式包括热传导、热对流和热辐射等3 种方式[9]。在电动汽车动力电池热传递方式中，电池内部热流量均匀产生，并将总产热量作为内热源加载在电池单体；电池里面电解液的流动性不好，并且里面辐射换热的影响很小，所以不考虑电池内部的热辐射和热对流，热量的传递主要由热传导决定。

热传导其向量表达式为

式中：q——热流密度；λ——导热系数；——温度在n 方向上的导数；n ——单位法向量。车轮定位参数影响汽车的操控性和驾驶的舒适性。

（2）动力电池热力学参数

利用热力学和传热学等理论分析电池模组中各单体电池内部极电池之间的生热及传热原理，建立传热数学模型，应用有限元、数值分析方法或相应的试验进行模型验证和优化。

电池内部温度场计算公式如下：

式中：T——温度，℃；ρλ——电池的平均密度，kg/m3；Cp——比热容，J/kg·k；λx，λy，λz——x、y、z 方向上的导热系数，W/(m·k)；q ——单位体积生热速率，W/(m2·k)。

BERNARDI 等提出了一种电池生热率计算式：

式中：I——电流，A；V——电池体积，m3；Rr——电池内阻，Ω；TdUOC/dT——电池的电压随温度变化的温度系数，通常取-0.5×10-3V/K。

2.3.2 电池包热力学建模

建立热力学仿真SolidWorks 三维模型并通过数据接口将数据导入COMSOL，利用COMSOL 电池与燃料电池模块生成简化后的热力学仿真模型如图6 所示，由18 个单体电池、模组壳体、流体组成[3]。

图6 电池模组热力学仿真模型Fig.6 Thermodynamic simulation model of battery module

2.3.3 热力学仿真参数

（1）定义材料属性

选用聚合物锂离子类型、型号EPC070180SP、典型容量1 800 mA·h 的软包电芯，正极为钴酸锂材料，负极为石墨，极耳为铜合金。表1 为电池模组成部分的各材料参数。

表1 电池包模组组成材料参数Tab.1 Battery module composition material parameters

（2）单元网格划分

网格采用自由四面体形式网格，电池包单个模组共包含85 153 个域单元、22 006 个边界元和3 440 个边单元。经过边界层设置，得到电池模组热分析有限元模型如图7 所示，并对相关网格面及域进行命名，便于之后边界条件的设置。

图7 电池模组热分析有限元模型Fig.7 Finite element model for thermal analysis of battery modules

（3）边界条件、初始条件及求解器设置

将温度、热流率、对流、热流密度、生热率和辐射率作用于电池模组有限元模型，选择合适的求解器对模型计算。

根据电池内部工作电流，由式（3）可计算得到生热率，如表2 所示。

表2 电池模组电流与生热率参数表Tab.2 Battery module current and heat generation rate parameters

2.3.4 温度场仿真结果分析

电池在放电工作时，如果不做散热设计，热量不能得到及时散发，容易造成电池的温度过高。而电池的热量来自电池内部的产热，影响电池组温度场的因素有工作电流、间隙、材料以及对流换热系数等，基于电芯和电池模组的排布和设计，电池间隙、材料、对流换热系数均取相同的值，在不同放电状态、不同风扇速度下温度场的分布，以此来验证电芯此状态下温度是否在其正常工作范围。

因此，取电池在1C、5C、10C、15C 放电倍率时分别对应的电流18，90，180，270 A 进行温度场仿真。为保证电芯在放电时正常温度范围工作，当最高温度上升到40℃时需要开启风扇对其进行散热，风扇的速度值设置为v=5 m/s，电池模组在不同状态下的温度场云图如图8 所示。

图8 不同状态下电池模组温度场云图Fig.8 Cloud diagram of battery module temperature field in different states

根据不同状态下电池温度场云图，可以得到电池模组最高温度和最低温度。由表3 可知，当电池以1C 放电倍率18 A 电流放电时，在2 100 s 时电池达到最高温度为26.2 ℃，此时不需要开启风扇。当电池以5C 放电倍率90 A 电流放电时，在2 100 s时电池达到最高温度为40.4℃，相对电芯正常工作温度范围此时温度偏高，此时需要开启风扇，相同状态之下开启风扇，速度为5m/s，在1 950 s 时电池达到最高温度为25.6 ℃，电池在正常温度范围内工作。当风扇在开启状态下，电池以15C 最大放电倍率270 A 放电时，在2 100 s 时达到最高温度为3.8 ℃，电池在正常温度范围。

表3 电池模组不同状态时最高、最低温度参数表Tab.3 Maximum and minimum temperature parameters of battery module in different states

2.4 电池散热系统控制策略

电池包散热控制策略如图9 所示。激活电池包，电池包开始工作，散热系统进行初始化，与风扇开启设置温度40 ℃进行比较。高于40 ℃且低于60 ℃启动风扇，加速散热，保证电池组温度在正常范围内工作；当温度低于40 ℃时关闭风扇；若发生异常温度高于60 ℃或低于-20 ℃度时，通过HOTOUT 通道切断主回路继电器。

图9 电池包散热系统控制策略流程图Fig.9 Control strategy flow chart of battery pack cooling system

3 结论

本文热管理系统中的散热系统采用强制风冷的形式，利用COMSOL 软件锂电池与燃料电池模块建立电化学模型和热分析模型耦合，对电池模组进行温度场仿真分析。

当把风扇速度为5 m/s 时，电池模组以最大放电倍率15C 270 A 的电流放电，在2 100 s 时达到最高温度，最高温度为32.8 ℃，电芯在正常温度工作范围-20～60 ℃之间。

通过以上各模块的完善设计，最终得出一个合理的电动汽车电池包热管理系统设计流程。为今后电动汽车动力电池包热管理系统的设计提供一定的设计依据和参考价值。