空冷鋰離子電池包散熱特性的數(shù)值模擬研究

王紅民 周南昕 上官文斌

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

鋰離子電池具有比功率高、充電時(shí)間短、記憶效應(yīng)不明顯等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛用于電動(dòng)汽車和能量儲(chǔ)存系統(tǒng)中。鋰電池充放電的過程中產(chǎn)生的熱量，如果不及時(shí)排出，就會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高，從而影響電池的使用性能和壽命，甚至?xí)?dǎo)致電池爆炸，所以對(duì)電池進(jìn)行熱管理，使其工作在最佳溫度范圍內(nèi)，且保證電池包內(nèi)每個(gè)電池單體的溫度偏差在允許范圍內(nèi)是非常必要的。近年來，電池?zé)峁芾硪殉蔀殡妱?dòng)汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。電池散熱系統(tǒng)主要分為風(fēng)冷、液體冷卻和相變材料冷卻三種類型，其中風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，且安全可靠性好，得到了廣泛應(yīng)用。本文以36節(jié)26650型磷酸鐵鋰電池組成的電池包為研究對(duì)象，利用FLUENT軟件分析電池包環(huán)境溫度、放電倍率和空氣流速對(duì)電池包平均溫度影響情況，并對(duì)電池包內(nèi)各單體電池溫度偏差進(jìn)行模擬，旨在對(duì)冷風(fēng)散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化與推廣[1]。

1 電池生熱、物理參數(shù)的確定、建模及網(wǎng)格劃分

本文研究的電池包由36個(gè)單體電池組成，排列成4行，每行9個(gè)，順列布置，并對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示。冷卻空氣從左側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電池包，對(duì)電池進(jìn)行冷卻后，從右側(cè)出風(fēng)口流出。用ICEM軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性驗(yàn)證后，選取網(wǎng)格總數(shù)為156萬左右，平均質(zhì)量為0.79，并在電池表面加載邊界層。在FLUENT軟件中，設(shè)定材料參數(shù)，邊界條件和內(nèi)熱源，松弛因子設(shè)定為默認(rèn)值，求解算法使用simple離散算法[2]。在Spatial Discretization（空間離散化）中，壓力項(xiàng)選擇二階，動(dòng)量和能量項(xiàng)選擇二階迎風(fēng)離散格式，湍流模型則選用k-omega模型。對(duì)空冷電池包進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果中，取各單體電池表面上的最高溫度，作為單體電池的溫度。

圖1 電池箱結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果及分析

2.1 放電倍率對(duì)電池包內(nèi)溫度影響

設(shè)定環(huán)境溫度為25℃，進(jìn)口風(fēng)速為5m/s，電池包分別以5C、10C和15C的放電倍率恒流放電，放電倍率對(duì)電池包內(nèi)溫度場(chǎng)的影響，如圖2所示。

圖2 不同放電倍率對(duì)電池包溫度的影響

可以看出，環(huán)境溫度和風(fēng)速一定的情況下，隨著放電倍率的增大，電池包平均溫度升高，這是因?yàn)榉烹姳堵试龃髸r(shí)，電池包內(nèi)每個(gè)單體電池的放電電流都增大，放出的熱量增多。放電倍率由5C增大到10C時(shí)，電池包平均溫度由27.39℃升高到了35.46℃，溫度提升了8.07℃；放電倍率由10C再進(jìn)一步升高到15C時(shí)，電池包平均溫度由35.46℃升高到了49.15℃，溫度提升了13.69℃?？梢?，隨著放電倍率的增大，電池包平均溫度增速更快，由電池的生熱方程可得出，焦耳熱與電流的平方成正比，而可逆反應(yīng)熱與電流成正比，所以放電倍率增大時(shí)，焦耳熱會(huì)快速增大。

在外部環(huán)境溫度為25℃，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為5m/s的情況下，不同放電倍率情況下的電池溫度分布情況如圖3～圖5所示。通過對(duì)比可見，三種情況下溫度分布幾乎完全相同，即編號(hào)為18、19、22、23、26、27、30和31的單體電池溫度最高，其原因?yàn)檫@些單體電池都處于電池箱的后部中心位置，散熱條件較差。

2.2 環(huán)境溫度變化對(duì)電池包內(nèi)溫度分布影響

在放電倍率和冷卻空氣風(fēng)速一定的條件下，當(dāng)環(huán)境溫度升高，即冷卻空氣溫度升高時(shí)，電池與空氣間的傳熱溫差減小，冷卻空氣帶走的熱量減小，從而導(dǎo)致電池溫度升高，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

此時(shí)放電倍率為10C，進(jìn)口風(fēng)速為5m/s，當(dāng)環(huán)境溫度從25℃升高到30℃、35℃時(shí)，電池包的平均溫度分別從35.46℃升高到了40.45℃、45.41℃。通過實(shí)驗(yàn)圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其他條件相同時(shí)，環(huán)境溫度升高的度數(shù)和電池包平均溫度升高的度數(shù)幾乎相同，這是因?yàn)殡姵胤烹姇r(shí)生成的熱量一部分被冷卻空氣通過對(duì)流傳熱的方式帶走，另一部分則導(dǎo)致電池本身的溫度升高，而這兩部分的溫差相同。

圖3 5C放電倍率電池溫度分布云圖

圖4 10C放電倍率電池溫度分布云圖

圖6 外部環(huán)境溫度對(duì)電池包溫度的影響

在放電倍率為10C，進(jìn)口風(fēng)速為5m/s的情況下，不同溫度環(huán)境下的電池包內(nèi)部溫度變化云圖如圖7～圖9所示?？梢钥闯?，環(huán)境溫度變化時(shí)，電池包內(nèi)溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的溫度都處于同一位置，即環(huán)境溫度變化時(shí)，電池包內(nèi)各單體電池的溫度場(chǎng)基本一致。這說明電池包內(nèi)，冷卻空氣的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)變化不大。

圖7 25℃環(huán)境溫度下電池包內(nèi)溫度分布云圖

圖8 30℃環(huán)境溫度下電池包內(nèi)溫度分布云圖

圖9 35℃環(huán)境溫度下電池包內(nèi)溫度分布云圖

2.3 冷卻空氣流速變化對(duì)電池包內(nèi)溫度分布影響

當(dāng)電池放電倍率為10C，環(huán)境溫度保持在25℃時(shí)，分析冷卻空氣流速對(duì)電池包內(nèi)平均溫度影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析可得，隨著風(fēng)速增大，電池包的平均溫度會(huì)降低，這主要是對(duì)流換熱系數(shù)增大引起的。且隨著風(fēng)速的增大，平均溫度下降幅度越來越小，具體情況如圖10所示。

如圖10所示，當(dāng)平均風(fēng)速由1m/s升高到3m/s時(shí)，電池包平均溫度由49.38℃降到了38.53℃，溫度下降了10.85℃；當(dāng)風(fēng)速由7m/s增加到9m/s時(shí)，平均溫度由33.85℃降到了32.91℃，溫度僅下降了0.94℃。所以選擇最佳風(fēng)速時(shí)，不但要考慮風(fēng)速增加對(duì)電池的冷卻效果，而且也應(yīng)考慮風(fēng)速增大時(shí)風(fēng)機(jī)消耗電能的增加。

圖10 不同風(fēng)速對(duì)電池包溫度的影響

同上述實(shí)驗(yàn)類似，在保持放電倍率與外部溫度不變的情況下，對(duì)不同冷卻風(fēng)速下的電池包溫度分布情況進(jìn)行分析，如圖11～圖12所示。風(fēng)速為1m/s時(shí)，電池包內(nèi)溫度最高的區(qū)域位于電池包出風(fēng)口處的中間位置，電池編號(hào)為30、35。隨著風(fēng)速的增大，最高溫度的位置逐漸向進(jìn)風(fēng)口的方向移動(dòng)。當(dāng)風(fēng)速為9m/s時(shí)，溫度最高的單體電池編號(hào)為18、22，這是由于風(fēng)速增加時(shí)，電池箱的出風(fēng)口處流通截面積減小，最后一排電池附近產(chǎn)生的回流不明顯，使得冷卻空氣流速向入口處移動(dòng)，導(dǎo)致溫度最高的單體電池位置也向入口的方向移動(dòng)。

圖11 風(fēng)速1m/s時(shí)電池包內(nèi)溫度分布云圖

圖12 風(fēng)速5m/s時(shí)電池包內(nèi)溫度分布云圖

圖13 風(fēng)速9m/s時(shí)電池包內(nèi)溫度分布云圖

3 結(jié)論

本文以36節(jié)26650型磷酸鐵鋰電池組成的電池包為對(duì)象，研究了不同放電倍率、環(huán)境溫度和空氣流速對(duì)電池包平均溫度的影響，具體結(jié)論如下：

（1）當(dāng)環(huán)境溫度和冷卻空氣流速一定時(shí)，隨著放電倍率的增大，電池包內(nèi)單體電池的平均溫度升高，溫度最高的單體電池的位置維持不變。

（2）當(dāng)放電倍率和冷卻空氣流速一定時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，每個(gè)單體電池溫度也升高，且升高值和環(huán)境溫度升高值相當(dāng)，溫度最高的單體電池的位置維持不變。

（3）當(dāng)環(huán)境溫度和放電倍率一定時(shí)，隨著冷卻空氣流速的增大，電池包內(nèi)平均溫度降低，但是電池包內(nèi)溫度最高的電池單體的位置向冷卻空氣入口的方向移動(dòng)。