電池組風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化研究*

方 凱，徐 屾，湯玉婷

(上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

隨著石油資源的枯竭和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，新能源車已經(jīng)成為了不可阻擋的趨勢(shì)。鋰電池，因其自身具有能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、自放電率低等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為目前新能源車動(dòng)力電池的首選。一般認(rèn)為，鋰電池的高效工作溫度區(qū)間為0 ℃～40 ℃，電池組之間的溫差最好控制在5 ℃以內(nèi)[1-2]。鋰電池長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境下工作，容量和使用壽命均會(huì)大大縮減。若電池組未采取合適的熱管理措施，在某些極端情況下，甚至?xí)馃崾Э?，引發(fā)危險(xiǎn)事故[3-4]。所以，針對(duì)動(dòng)力電池組而言，引入合適的熱管理方法是很必要的。

電池組冷卻可大致分為水冷、風(fēng)冷和相變材料冷卻，本文采取的冷卻措施為風(fēng)冷。眾多學(xué)者對(duì)風(fēng)冷結(jié)構(gòu)做了大量的研究。陳磊濤等[5]對(duì)電池箱體的設(shè)計(jì)提出了兩種局部結(jié)構(gòu)變動(dòng)途徑：一種是改變通道的寬度，另一種是改變空氣進(jìn)出口處集流板的傾斜角度。兩種方法分別對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)的是速度和壓力。在對(duì)不同流道寬度和集流板傾斜角度聯(lián)合模擬后，得出流道寬度遞減值為1.5 mm、集流板傾斜角度為4°時(shí)電池組流道的流速分布最為均勻。梁金華[6]通過(guò)在不同通道加裝楔形裝置以改變不同流道的風(fēng)速。Rajib Mahamud等[7]設(shè)計(jì)了一種新型的風(fēng)冷裝置，該裝置可周期性地變換進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，當(dāng)以120 s為變換周期時(shí)，電池組最高溫度相比沒(méi)有變換進(jìn)出口時(shí)降低了1.5 ℃，電池組溫差降低了72%。

為改善電池組溫度均勻性，本文設(shè)計(jì)一種單進(jìn)四出的箱體結(jié)構(gòu)，在4個(gè)出風(fēng)口按照一定規(guī)律開(kāi)閉時(shí)，可以主動(dòng)引導(dǎo)冷卻介質(zhì)通過(guò)設(shè)定的流道，從而可以對(duì)電池組中溫度較高的電池采取主動(dòng)控制。

1 相關(guān)模型

1.1 電池生熱公式

在實(shí)驗(yàn)計(jì)算上較常應(yīng)用的公式為Noboru Sata[8]生熱速率公式：

Q=Qr+Qs+Qp+Qj

(1)

式中：Qr—化學(xué)反應(yīng)熱；Qp—極化反應(yīng)熱；Qj—?dú)W姆熱；Qs—副反應(yīng)熱。

在一般研究中，只考慮因極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量，有：

Qp=I2Rp

(2)

Qj=I2Rj

(3)

式中:I—電池充放電電流，A；RP，Rj—極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，Ω。

本文研究的電池參數(shù)如表1所示。

表1 電池相關(guān)參數(shù)

1.2 電池傳熱控制方程

在流動(dòng)與傳熱問(wèn)題求解中所需求解的主要變量(速度及溫度等)的控制方程的通用形式[9]為：

(4)

式中：φ—通用變量，可代表u,v,w,T等求解變量；Γφ—廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ—廣義源項(xiàng)。

1.3 均勻送風(fēng)原理

對(duì)于風(fēng)冷電池組，在忽略電池組與外界空氣和電池組之間通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞的熱量時(shí)，要實(shí)現(xiàn)電池組溫度一致性良好的目標(biāo)，各個(gè)流道的流速要盡可能地均勻。根據(jù)流體力學(xué)原理，要保證每個(gè)等截面出風(fēng)口的出風(fēng)速度相等，基本條件是各側(cè)孔的靜壓相等，即主管全長(zhǎng)上的靜壓保持不變[10]。根據(jù)伯努利方程，對(duì)于流道內(nèi)的兩個(gè)相鄰截面有：

(5)

當(dāng)Pi=Pi+1時(shí)，則：

(6)

式中:Pi—第i或i+1截面的靜壓，Pa；vi—第i或i+1截面的流速，m/s；ΔPq—兩截面之間的全壓損失，Pa；ρ—空氣密度。

由式(5)可見(jiàn)，任意兩截面之間保持靜壓相等的條件是兩截面之間的動(dòng)壓降等于兩截面之間的阻力損失。通常情況下，式(5)的右端大于左端，若要滿足兩端相等，其截面積沿流動(dòng)方向應(yīng)逐步減小。風(fēng)口垂直于風(fēng)管壁面方向的靜壓速度(單位：m/s)為：

(7)

通過(guò)側(cè)孔的風(fēng)量(單位：m3/s)：

L0=μf0vj

(8)

空氣通過(guò)側(cè)孔的平均速度(單位：m/s)：

(9)

式中：μ—側(cè)孔的流量系數(shù)；f0—側(cè)孔的面積。

2 風(fēng)冷流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了包含1個(gè)進(jìn)風(fēng)口和4個(gè)出風(fēng)口的電池組箱體結(jié)構(gòu)。4個(gè)出風(fēng)口可按照一定規(guī)律打開(kāi)、關(guān)閉。本文將著重考察4個(gè)出口不同開(kāi)閉狀態(tài)時(shí)，電池組的溫度分布情況。箱體結(jié)構(gòu)的4個(gè)出風(fēng)口從上至下依次為1、2、3、4。電池從上至下依次編號(hào)為1～10。流道從上至下依次編號(hào)為1～11。

2.1 相關(guān)邊界條件

由于亞克力板(PMMA)具有較好的透光性和較低的導(dǎo)熱系數(shù)(0.18 W/m·K)，本研究選用亞克力板作為箱體的結(jié)構(gòu)材料。入口溫度為20 ℃，風(fēng)速為5 m/s,環(huán)境溫度為35 ℃，外界氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在電池組與外界的溫差較低和PMMA導(dǎo)熱系數(shù)較小的前提下，通過(guò)箱體熱傳導(dǎo)傳遞的熱量可以忽略，即只考慮流道內(nèi)空氣與電池間強(qiáng)制對(duì)流冷卻部分的熱量。

2.2 流道尺寸的確定

針對(duì)該模型，本研究對(duì)3 mm、5 mm、7 mm的流道做了3組模擬，3 mm流道的速度場(chǎng)如圖1所示。

圖1 3 mm流道的速度場(chǎng)

根據(jù)模擬結(jié)果得出：該箱體結(jié)構(gòu)在流道尺寸為3 mm時(shí)，各個(gè)流道的流速最為均勻。對(duì)于3 mm的箱體模型，其4號(hào)、8號(hào)兩條低速流道是兩塊最高溫度的電池所在位置。為了提高兩條低速流道的速度，筆者采取增大其尺寸的方法，即降壓增速的方法。將該兩條流道尺寸增加到5 mm，其余流道尺寸依然為3 mm，此時(shí)電池組溫度場(chǎng)如圖2所示。

圖2 3 mm與5 mm混合流道尺寸下的溫度場(chǎng)

在該尺寸下，各個(gè)流道的速度均勻性進(jìn)一步提升。除去被進(jìn)風(fēng)口直吹的2塊電池，其余8塊電池的最高溫度趨于一致，且最高溫度相較于3 mm間距模型進(jìn)一步下降0.7 ℃。綜上，將箱體流道尺寸定為3 mm，其中4號(hào)、8號(hào)兩條流道的寸定為5 mm。下文中只把溫度場(chǎng)作為研究目標(biāo)。

2.3 三維模型

為驗(yàn)證二維模擬結(jié)果，筆者對(duì)5 mm流道的模型作了三維模擬，模擬結(jié)果如圖3所示。

圖3 5 mm流道時(shí)三維模擬與二維模擬對(duì)比圖

對(duì)比圖3(b)可以看出：最高溫度誤差為0.36 ℃。對(duì)比兩圖的溫度分布，二維模擬可以較好地展示三維模擬的結(jié)果。為減少模擬時(shí)間，以下模擬均采用二維模擬。

2.4 出風(fēng)口長(zhǎng)度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在確定流道寬度時(shí)，出風(fēng)口的長(zhǎng)度被設(shè)定為20 mm。為驗(yàn)證出風(fēng)口的長(zhǎng)度對(duì)電池組溫度場(chǎng)的影響，筆者對(duì)10 mm和30 mm的出風(fēng)口分別做了兩組模擬，對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同長(zhǎng)度的出風(fēng)口對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)

對(duì)比圖4(a)、4(b)，可以得出，出風(fēng)口的尺寸對(duì)電池組的溫度場(chǎng)影響較小。

3 電池箱出風(fēng)口開(kāi)閉策略研究

3.1 一個(gè)出風(fēng)口打開(kāi)時(shí)的模擬結(jié)果

箱體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故本研究?jī)H針對(duì)1、2出口單開(kāi)做了相應(yīng)模擬。電池組的溫度場(chǎng)圖如圖5所示。

圖5 1、2出風(fēng)口單開(kāi)時(shí)的溫度場(chǎng)

由溫度場(chǎng)圖可以看出：8、9、10這3塊電池存在過(guò)熱的現(xiàn)象。1出口打開(kāi)，1、2、3電池可以得到強(qiáng)化散熱；2出口打開(kāi)時(shí)，4、5電池可以得到強(qiáng)化散熱。由模擬結(jié)果可知，在電池箱體內(nèi)，由于風(fēng)速不均勻?qū)е碌膲翰钤诤苄〉姆秶鷥?nèi)，后文僅對(duì)溫度進(jìn)行說(shuō)明，不再對(duì)壓力作進(jìn)一步研究。

3.2 4個(gè)出風(fēng)口對(duì)稱開(kāi)閉時(shí)的討論

兩個(gè)出風(fēng)口打開(kāi)時(shí)的溫度場(chǎng)如圖6所示。

圖6從上至下依次為1、2出口打開(kāi)，2、3出口打開(kāi)，3、4出口打開(kāi)的溫度場(chǎng)圖。在2、3出口打開(kāi)時(shí)，4、5、6、7電池可以得到強(qiáng)化散熱。從溫度分布云圖可以看出，在1、2出口打開(kāi)時(shí)，1、2、3、4電池可以得到強(qiáng)化散熱。3、4出口打開(kāi)時(shí)，7、8、9、10電池可以得到強(qiáng)化散熱。但2、3出口打開(kāi)時(shí)，會(huì)造成多塊電池溫度較高。

1、2出口打開(kāi)時(shí)的速度云圖、溫度云圖和3、4出口打開(kāi)時(shí)對(duì)應(yīng)的分布圖參數(shù)接近，這也驗(yàn)證了對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可取一半作為研究對(duì)象。圖6的溫度場(chǎng)均是在模擬2 000 s以后達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的結(jié)果，由圖6可以得出：在以一定周期規(guī)律性地開(kāi)閉4個(gè)出口時(shí)(如1、2出口和3、4出口交替開(kāi)閉)，可以有效地改善電池組的溫度均勻性。

圖6 兩個(gè)出風(fēng)口打開(kāi)時(shí)的溫度場(chǎng)

通過(guò)對(duì)模型的4個(gè)出口的不同開(kāi)閉情況的模擬，得出了在不同開(kāi)口情況下的速度、溫度云圖。由模擬結(jié)果可以得出：通過(guò)開(kāi)閉不同的出口，可以達(dá)到改變箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)速度場(chǎng)的目的，進(jìn)而可以主動(dòng)地調(diào)節(jié)電池組內(nèi)的溫度分布。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種帶有一個(gè)進(jìn)風(fēng)口和4個(gè)出風(fēng)口的風(fēng)冷電池箱體結(jié)構(gòu)；針對(duì)不同電池間距和出風(fēng)口不同的開(kāi)閉情況做了相應(yīng)的模擬，得出了以下結(jié)論：

(1)在同樣的入口條件下，流道尺寸為5 mm或更大時(shí)，會(huì)存在幾條流道內(nèi)速度過(guò)低的現(xiàn)象。流道尺寸為3 mm和5 mm混合時(shí)，整個(gè)電池組的溫度均勻性最好；

(2)打開(kāi)1個(gè)出風(fēng)口，其他出風(fēng)口關(guān)閉時(shí)，該結(jié)構(gòu)可對(duì)打開(kāi)的出風(fēng)口臨近的2～3個(gè)電池進(jìn)行強(qiáng)化散熱；

(3)出風(fēng)口兩開(kāi)兩閉的條件下，該結(jié)構(gòu)可對(duì)4個(gè)電池進(jìn)行強(qiáng)化散熱。但打開(kāi)2、3出口時(shí)，雖然可對(duì)4、5、6、7電池進(jìn)行強(qiáng)化散熱，也會(huì)致使1、2、9、10電池溫度相應(yīng)增加。

本文僅對(duì)該模型的流道尺寸和4個(gè)出風(fēng)口的開(kāi)閉策略作了簡(jiǎn)要分析，后期會(huì)制作實(shí)體模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式來(lái)驗(yàn)證該模型的實(shí)際效果。