增設(shè)通風(fēng)孔的風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)值研究*

張新強，洪思慧，汪雙鳳

（華南理工大學(xué)，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣州 510640）

增設(shè)通風(fēng)孔的風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)值研究*

張新強，洪思慧，汪雙鳳?

（華南理工大學(xué)，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣州 510640）

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計可以維持動力電池的高效性能，進而促進電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文采用CFD方法研究有通風(fēng)孔的情況下，風(fēng)冷式鋰離子電池組在放電過程中的散熱性能。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在電池組外殼增設(shè)通風(fēng)孔可以明顯提高整個電池組的冷卻效果。風(fēng)孔開設(shè)在主出風(fēng)口的相反方向時，電池組的溫升和溫差最小。當(dāng)風(fēng)孔的面積與出口面積相等時，電池組的冷卻效果最佳；繼續(xù)增大風(fēng)孔對電池組的冷卻效果影響較小。最后探討了空氣進口溫度和電池間冷卻通道的變化對電池組散熱效果的影響。采用在電池組外殼上開設(shè)多個通風(fēng)孔的辦法有助于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻優(yōu)化設(shè)計。

熱管理系統(tǒng)；鋰離子電池；風(fēng)冷；風(fēng)孔；冷卻效果

0 引 言

隨著全球能源短缺和環(huán)境問題的突出，發(fā)展低能耗、低污染的電動汽車成為當(dāng)前汽車工業(yè)界的共識[1]。而發(fā)展電動汽車的關(guān)鍵在于動力電池。相對于傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池，鋰離子電池因具有高容量、高能量密度、高電壓、低自放電率以及無記憶功能等特點而成為新一代電動汽車用動力電池。鋰離子電池最佳工作溫度一般為20℃～40℃[2]，過熱和過放電都會造成電池的退化與失效，嚴(yán)重時還會引起燃燒。動力電池作為電動汽車動力源，往往需要串并聯(lián)形成電池組，單體電池性能的下降會影響整個電池組的性能，因此電池組內(nèi)的局部溫差一般應(yīng)小于5℃[3]。以電池?zé)峥貫檠芯繉ο蟮碾姵責(zé)峁芾砑夹g(shù)在需要高倍率充放電的電動汽車中顯得尤為重要。

相比于其他電池?zé)峁芾砑夹g(shù)如液冷[4-6]、相變材料冷卻[7-8]、冷板冷卻[9-10]等，風(fēng)冷[3,11-17]系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、易于安裝、成本較低等特點成為當(dāng)前電動汽車產(chǎn)業(yè)的首選。ZHANG等[12]采用CFD分析高容量鋰離子電池在風(fēng)冷情況下的產(chǎn)熱及散熱行為。LI等[13]采用CFD模型研究空氣冷卻圓柱形鋰離子電池的熱行為，試驗與模擬結(jié)果對比一致性很好。HE等[14]利用風(fēng)洞實驗測量不同風(fēng)速、不同間距情況下電池組溫度隨時間的變化關(guān)系。MAHAMUD等[15]研究了空氣循環(huán)流過電池時的冷卻效果。FAN[16]從電池間距和空氣流速兩方面研究了風(fēng)冷電池組冷卻效果。WANG等[17]從電池排列方式、風(fēng)扇位置和電池間距三方面分析了鋰離子電池模塊的散熱效果。

盡管人們對風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的研究取得了一些成果，但大都采取改變電池的布局方式來改善電池間流速分配不均勻的情況。本文在不改變電池組整體布局的前提下，通過在電池組外殼開設(shè)通風(fēng)孔來改變電池間的流速分配情況，并討論風(fēng)孔位置、風(fēng)孔大小、進口溫度、冷卻流道體積等對電池組散熱效果的影響。

1 數(shù)值模型

1.1 電池內(nèi)部熱源分析

電池內(nèi)部的產(chǎn)熱、散熱過程可以看成是一個具有內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程。電池內(nèi)部熱量來源一般可以分為兩種：熵變熱（由電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生）和內(nèi)阻熱（電池內(nèi)阻的存在引起）。其中內(nèi)阻熱又可以分為：焦耳熱（電池內(nèi)部的歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生）和極化熱（電池內(nèi)部電極電位的偏離產(chǎn)生）。電池內(nèi)部的生熱速率可以由以下方程得到[18]：

其中，q為電池內(nèi)部的生熱速率，I為通過電池的電流（在充電時I ＜ 0、放電時I ＞ 0），Eoc為電池的開路電壓，V為電池端電壓，T為電池的表面溫度。

1.2 物理模型分析

本文所研究的鋰離子電池組模型如圖1所示。冷卻空氣從模型左下邊流入，在導(dǎo)流板的作用下流過電池表面，最后從模型右邊的出口流出。本文所使用的電池是同一型號的38120型磷酸鐵鋰電池，電池直徑為38 mm、高度為146 mm，其信息見文獻[19]。圖2是電池組模型的正視圖，電池之間的間距為3 mm，進口導(dǎo)流板高度為20 mm，出口集流板高度為15 mm，長度為376 mm，根據(jù)文獻[3]，導(dǎo)流板和集流板的高度應(yīng)不超過20 mm。 圖3顯示了電池及電池間冷卻通道示意圖，冷卻通道是由電池之間的間隙組成。風(fēng)流速度的大小會影響電池組的冷卻效果，在實驗容許范圍內(nèi)考察空氣的進口流量在0.002 2 kg/s～0.026 2 kg/s之間。

圖1 圓柱形鋰離子電池組模型圖Fig. 1 Model of cylindrical lithium-ion battery

圖2 圓柱形鋰離子電池組正視圖Fig. 2 Front view of lithium-ion battery module

圖3 電池間冷卻通道Fig. 3 Cooling channel between batteries

導(dǎo)流板的導(dǎo)流作用會使空氣在冷卻通道內(nèi)分配不均，造成電池組的溫差過大。因此，提出開設(shè)通風(fēng)孔的方式來改善冷卻流道內(nèi)的流速分配情況。圖4顯示了該電池組模型的幾種開孔方式，其中圖4a是沒有通風(fēng)孔的原始模型，圖4b～4e是風(fēng)孔在不同位置的計算模型。

圖4 風(fēng)孔位置及風(fēng)流進出口位置示意圖Fig. 4 Vent location and air flow

圖4中，case1中風(fēng)孔中心距邊界距離為出口集流板長度的0.15倍，case2中風(fēng)孔中心距邊界距離為出口集流板長度的0.07倍，case3中風(fēng)孔距離邊界為集流板長度的0.15和0.08倍。case4中風(fēng)孔中心距邊界為集流板長度的0.08倍。

1.3 條件假設(shè)

冷卻流體為空氣，假定空氣為不可壓縮流體，且其物理性質(zhì)不隨溫度發(fā)生改變，參考值如表1所示。圓柱形鋰離子電池是由不同性質(zhì)、不同厚度的材料包裹而成，相比電池組模型而言，各層材料的厚度可以忽略。因此，可對其做均一化處理，假設(shè)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量會均勻地分布到整個電池。

1.4 單值性條件與求解過程

環(huán)境溫度設(shè)置為室溫20℃，進口設(shè)置為速度進口，進口流體（空氣）溫度設(shè)為室溫20℃，根據(jù)進口流速計算相應(yīng)Re數(shù)，可判斷流動狀態(tài)為湍流。出口設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力出口，四周壁面設(shè)置為絕熱壁面?？諝馀c電池之間的接觸面設(shè)置為流固耦合邊界條件。當(dāng)電池以2 C放電，放電深度達95%時產(chǎn)生的熱量為4.94 W，以此作為Fluent中的計算源項。

系統(tǒng)的速度場和溫度場通過計算流體動力學(xué)軟件Fluent進行計算，考慮雙精度穩(wěn)態(tài)模擬，求解壓力速度耦合方程，湍流模式采用強化壁面處理的k–ε模型，壓力、動量、能量方程分別采用標(biāo)準(zhǔn)、二階迎風(fēng)、二階迎風(fēng)離散處理。其他的設(shè)置采用軟件默認(rèn)設(shè)置。為保證模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對模型網(wǎng)格獨立性進行驗證，選取當(dāng)溫差和溫升變化小于2%的網(wǎng)格數(shù)作為計算標(biāo)準(zhǔn)，由此計算相應(yīng)的電池組溫度場和速度場分布。

表1 空氣的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of air

2 模型討論與評價

空氣帶走的熱量多少取決于空氣與電池表面之間的對流換熱系數(shù)、接觸面積和進出口溫度。其關(guān)系式如下[20]：

其中，h為總的對流換熱系數(shù)、n為一行電池的數(shù)量、D為特征長度、H為特征高度。TLMTD為對數(shù)平均溫度，其計算公式為[17]：

其中，Tmax、Tmin分別為冷卻過程中電池組的最高溫度和最低溫度，Tf,i、Tf,o分別為冷卻空氣的進口溫度和出口溫度。

Re和Nu是用來衡量流體流動和流動傳熱的重要指標(biāo)，其計算公式分別為：

其中，ρf為流體（空氣）密度，uf為流體的流速，d為進口特征長度，fμ為流體的動力粘度。根據(jù)進口流量的變化，得到Re的變化范圍為2 190～32 860，判斷是湍流。kf為流體的熱導(dǎo)率。h為流體流動過程中的總對流換熱系數(shù)，其值可根據(jù)下式[13]得到：

其中，Mf為流體的質(zhì)量流量，Cf為流體的比熱容。

圖5顯示了總傳熱速率隨Re的變化關(guān)系。ZUKAUSKAS[21]、LI[13]、PARK[15]、KHAN[20]等分別采用實驗、模擬和理論分析的方法研究流體流過管束或電池的傳熱效率。對比可知，本文的模型模擬結(jié)果和已有文獻中的結(jié)果很相近，但在相同Re時，傳熱速率有所不同，這是由于本文模型采用導(dǎo)流板形式分配風(fēng)流。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)（數(shù)值模擬數(shù)據(jù)），按照關(guān)系式擬合，可以得到Nu和Re之間的關(guān)系式為：

圖5 Nu隨Re變化關(guān)系圖Fig. 5 Variable of Nu with Re

3 結(jié)果及討論

3.1 風(fēng)孔位置對電池組散熱性能的影響

圖6顯示了通風(fēng)孔設(shè)置在電池組外殼的不同位置時，電池組模型最高溫度和最大溫差隨空氣進口質(zhì)量流量的變化關(guān)系。隨著進口流量的增大，電池組的最高溫度和最大溫差均不斷下降。說明較大的空氣流速可以提高電池組的冷卻效果。因此，對于電動汽車用動力電池風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)而言，在允許的范圍內(nèi)應(yīng)采用較高的風(fēng)速。

圖6 （a）電池組最高溫度隨風(fēng)孔位置的變化關(guān)系；（b）電池組最大溫差隨風(fēng)孔位置的變化關(guān)系Fig. 6 Variable of battery temperature with vent location: (a) maximum temperature, (b) maximum local temperature

進一步分析圖6的數(shù)據(jù)可知，在沒有開設(shè)風(fēng)孔、進口質(zhì)量流量為0.026 2 kg/s時，電池組最大溫差為9.2 K。而在電池組外殼上開設(shè)風(fēng)孔，可以顯著提高電池組冷卻效果，采用case1～case4四種冷卻方式時，電池組最高溫度和最高溫升均有不同程度的下降。從下降幅度來看，采用case4模式的冷卻方式時溫升和溫差最低，僅有28.9℃和3.4℃。case4冷卻模式下，進口質(zhì)量流量為0.015 3 kg/s，就可以使電池組工作在溫度要求的范圍內(nèi)，且其冷卻效果明顯優(yōu)于case2和case3。這是由于case4中通風(fēng)孔位置與出口相反，可以促使空氣在電池間冷卻通道內(nèi)的分配更加均勻，從而減小電池之間的溫差。

3.2 風(fēng)孔大小對電池組散熱性能的影響

上述研究發(fā)現(xiàn)采用case2和case4兩種風(fēng)孔開設(shè)方式可以顯著提高電池組的冷卻效果。圖7顯示了進口空氣溫度為20℃時，這兩個case中通風(fēng)孔面積變化對電池組散熱性能的影響。

圖7 （a）電池組最高溫度隨風(fēng)孔大小的變化關(guān)系；（b）電池組最大溫差隨風(fēng)孔大小的變化關(guān)系Fig. 7 Variable of battery temperature with vent size: (a) maximum temperature, (b) maximum local temperature

定義S為通風(fēng)孔面積S1與電池組模型出口面積S2大小的比值。即：

由圖7可知，隨著S的增大，電池組的最高溫度和最大溫差呈現(xiàn)相似的變化趨勢，都是先下降，然后保持不變。質(zhì)量流量為0.021 8 kg/s時，S由0.2增大到1.5時，兩種冷卻模式下電池組的最高溫度分別下降了3.82 K 和3.29 K，當(dāng)S超過1.0之后，電池組最高溫度的變化幅度小于0.14 K。從以上分析可知增大風(fēng)孔面積可以提高電池組的溫度均勻性，并降低溫升。但是，當(dāng)風(fēng)孔面積增大到與出口面積相同后，繼續(xù)增大風(fēng)孔尺寸對電池組的散熱性能沒有明顯改善。盡管通風(fēng)孔的增大有助于提高局部流道的風(fēng)速和流道間的流速均勻性，從而提高空氣的對流換熱系數(shù)，但是這種強化換熱的效果受到進口風(fēng)量的限制，不會隨著通風(fēng)孔尺寸的增大而一直增大。因此最終電池組的最高溫度和最大溫差隨著通風(fēng)孔的尺寸增大而趨于平穩(wěn)。

3.3 進口空氣溫度對電池組散熱性能的影響

電動汽車用動力電池風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)中，風(fēng)量的來源一般分為自然風(fēng)和空調(diào)風(fēng)。自然風(fēng)的溫度即為環(huán)境溫度，車內(nèi)空調(diào)風(fēng)的溫度取決于人體對舒適度的需求，通常在室溫范圍內(nèi)。圖8顯示了進口空氣溫度對電池組散熱性能的影響。

當(dāng)S為1.0時，隨著進口空氣溫度的上升，電池組的最大溫升呈線性上升，最大溫差卻沒有變化。因為僅改變空氣溫度，并不會影響空氣與電池表面之間的對流換熱，即熱流密度不會改變，最大溫差也不會變化。因此，僅僅通過降低進口空氣的溫度，無法減小電池組的局部溫差。

圖8 電池組最高溫度和溫差隨進口空氣溫度的變化Fig. 8 Variable of battery temperature with inlet temperature

3.4 冷卻通道體積對電池組散熱性能的影響

鋰離子電池組的冷卻通道是由圓柱形電池之間的間隙組成，如圖3所示。

定義Vc為電池間冷卻通道的體積，Vb為單體電池的體積，則：

圖9（a）case4最高溫度隨冷卻通道大小的變化關(guān)系；（b）case4最大溫差隨冷卻通道大小的變化關(guān)系Fig. 9 Variable of battery temperature with cooling channel: (a) maximum temperature, (b) maximum local temperature

圖9顯示了在風(fēng)孔面積與出口面積相等的情況下，冷卻通道大小的變化對電池組溫升和溫差的影響。隨著冷卻通道體積的不斷增大，電池組最高溫度變化很小，最大溫差卻不斷下降。這是因為冷卻通道體積變大時，流體在冷卻通道內(nèi)的分配更加均勻。但是冷卻通道變大時，電池組的體積也會增大。當(dāng)φ由0.60增大到0.76，質(zhì)量流量為0.021 8 kg/s時，電池組的最大溫度變化幅度僅為0.26 K，而最大溫差僅下降了0.50 K，但是體積卻增大了11%。因此，考慮到電動汽車內(nèi)空間限制，電池之間的間距不能過大，應(yīng)該合理設(shè)置。

4 結(jié) 論

本文采用CFD的方法模擬研究開有風(fēng)孔的風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻效果，分別研究了通風(fēng)孔的位置、尺寸、進口空氣溫度、冷卻通道體積對系統(tǒng)冷卻效果的影響，結(jié)論如下：

（1）在電池組外殼開設(shè)通風(fēng)孔可以在不增加電池組體積的情況下，有效地提高電池組的冷卻效果。當(dāng)風(fēng)孔位置位于出風(fēng)口的相反方向，電池組的溫升和溫差最小，冷卻效果最好。

（2）通風(fēng)孔面積的增大有助于提高電池組的散熱效果。當(dāng)風(fēng)孔面積與電池組出口的面積相等時，電池組冷卻效果最佳。繼續(xù)增大風(fēng)孔面積，并不能明顯提高電池組的冷卻效果。

（3）進口空氣溫度不會影響電池組內(nèi)的局部溫差，但會影響電池組的溫升。隨著進口空氣溫度的升高，電池組的溫升線性增長。

（4）冷卻通道體積變化主要影響電池組內(nèi)的溫差，而基本不影響電池組的溫升。隨著冷卻通道體積增大，電池組的最大溫差不斷下降，但同時也增加了系統(tǒng)的體積。因此，考慮到電動汽車內(nèi)空間限制，電池之間的間距不能過大，應(yīng)該合理設(shè)置。

[1] RAO Z H, WANG S F. A review of power battery thermal energy management[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(9): 4551-4571.

[2] CHACKO S, CHUNG Y M. Thermal modeling of Li-ion polymer battery for electric vehicle drive cycles[J]. Journal of Power Sources, 2012, 213(9): 296-303.

[3] PARK H. A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 239: 30-36.

[4] 吳忠慶, 張國慶. 混合動力車用鎳氫電池的液體冷卻系統(tǒng)[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 25(4): 28-31.

[5] ZHAO R, GU J J, LIU J. An experimental study of heat pipe thermal management system with wet cooling method for lithium ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2015, 273: 1089-1097.

[6] RAO Z H, WANG S F, WU M C, et al. Experimental investigation on thermal management of electric vehicle battery with heat pipe[J]. Energy Conversion and Management, 2013, 65(1): 92-97.

[7] KIZILE R, SABBAN R, SELMAN J R, et al. An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs[J]. Journal of Power Sources, 2009, 194(2): 1105-1112.

[8] DUAN X, NATERER G F. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[J]. International J. Heat and Mass Transfer, 2010, 53(23): 5176-5182.

[9] JATTETT A, KIM I Y. Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(23): 10359-10368.

[10] HUO Y T, RAO Z H, ZHAO J. Investigation of power battery thermal management by using mini-channel cold plate[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 89: 387-395.

[11] ZHU C, LI X H, SONG L J, et al. Development of a theoretically based thermal model for lithium ion battery pack[J]. Journal of Power Sources, 2013, 223(1): 155-164.

[12] ZHANG Z Q, JIA L, ZHAO N, et al. Thermal Modeling and Cooling Analysis of High-power Lithium-ion cells[J]. Journal of Thermal Sciences, 2011, 6(6): 570-575.

[13] LI X S, HE F, MA L. Thermal management of cylindrical batteries investigated using wind tunnel testing and computational fluid dynamics simulation[J]. Journal of Power Sources, 2013, 238(28): 395-402.

[14] HE F, LI X S, MA L. Combined experimental and numerical study of thermal management of battery module consisting of multiple Li-ion cells[J]. International J. Heat and Mass Transfer, 2014, 72(3): 622-629.

[15] MAHAMUD R, PACK C. Reciprocating air flow for Li-ion battery thermal management to improve temperature uniformity[J]. Journal of Power Sources, 2011, 196(13): 5685-5696.

[16] FAN L W, KHODADADI J M, PESARAN A A. A parametric study on thermal management of an air-cooled lithium-ion battery module for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources, 2013, 238(28): 301-312.

[17] WANG T, TSENT K J, ZHAO J Y, et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies[J]. Applied Energy, 2014, 134(C): 229-238.

[18] CHEN S C, WANG C C, WANG Y Y. Thermal analysis of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources, 2005, 140(1): 111-124.

[19] SAW L H, YE Y, TAY A A O. Electro-thermal analysis and integration issues of lithium ion battery for electric vehicles[J]. Applied Energy, 2014, 131(9): 97-107.

[20] KHAN W A, CULHAM J R, YOVANOVICH M M. Convection heat transfer from tube banks in crossflow: Analytical approach[J]. International J. Heat and Mass Transfer, 2006, 49(25): 4831-4838.

[21] ZUKAUSKAS A, ULINSKAS R. Heat Transfer in Tube Banks in Cross flow[M]. Springer-Verlag, New York, 1988.

Numerical Investigation of Air-cooled Cylindrical Lithium-ion Battery Thermal Management System with Vent

ZHANG Xin-qiang, HONG Si-hui, WANG Shuang-feng
(Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation of the Ministry of Education, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The optimum design of battery thermal management system helps maintaining the high efficient performance of power battery, which will contribute to the development of the electric vehicle industry. In this research, a CFD model for an air-cooled battery pack with vent is developed to investigate the thermal performance of battery during discharging. It’s found that the additional vent can significantly improve the cooling performance of the entire battery pack. Temperature rise and temperature difference of the battery pack reach the lowest when the vent is opened at the opposite of the outlet. Moreover, the best cooling performance is achieved as the area of the vent equals to that of the outlet. However, continuously increasing the area of the vent makes little difference on improving the cooling performance. The effects of the inlet air temperature and the volume of the cooling channel on the thermal performance of lithium-ion battery pack are also investigated. Opening multiple vents in the battery pack enable to the optimum design on the cooling capability of the battery thermal management system.

thermal management system； lithium-ion battery； air-cooled； vent； cooling performance

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.06.003

2095-560X（2015）06-0422-07

張新強（1989-），男，碩士，主要從事風(fēng)冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究。

2015-10-13

2015-11-16

科技部國際合作項目（2013DFG60080）

? 通信作者：汪雙鳳，E-mail：sfwang@scut.edu.cn

洪思慧（1990-），女，博士，主要從事液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究。

汪雙鳳（1964-），女，教授，主要從事微納傳熱與流體流動，相變儲能材料及技術(shù)，新能源汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究。