基于往復(fù)式風(fēng)冷鋰電池模塊的設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)分析

姜貴文，劉 波，胡清華，莊 玲，黃菊花，劉自強(qiáng)，廖偉鵬

（1.上饒師范學(xué)院物理與電子信息學(xué)院；2.江西省電動(dòng)汽車部件智能化工程研究中心，江西 上饒 334001；3.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031）

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接決定電動(dòng)汽車的工作性能、行駛安全性。鋰電池由于能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車的首選電源［1-2］；然而，鋰電池溫度適應(yīng)性差［3］，溫度過高或過低，都影響其工作性能，甚至引起壽命衰減、熱安全性等問題［4-5］，因此，必須借助熱管理系統(tǒng)把電池的溫度控制在正常范圍內(nèi)。風(fēng)冷由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中得到廣泛的使用。強(qiáng)制風(fēng)冷的缺點(diǎn)是散熱效率低，Giuliano等［6］在鋰電池冷卻板空腔內(nèi)部裝入泡沫鋁，通過泡沫鋁來增大散熱面積，從而提高強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果。Wang等［7］研究了電池的布局和風(fēng)扇的位置對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷散熱效果的影響，發(fā)現(xiàn)電池和風(fēng)扇呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)布置的散熱效果最好。強(qiáng)制風(fēng)冷的另一缺點(diǎn)就是溫度均勻性差，程昀等［8］通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，空氣對(duì)流換熱系數(shù)由5W·m-1·K-1增大到100W·m-1·K-1，電池模塊中心的溫度僅下降了0.2℃，而溫差卻達(dá)到10℃。為了提高強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的均勻性，需要設(shè)置復(fù)雜的并行風(fēng)道結(jié)構(gòu)，Sun等分別研究了U型［9］和Z型［10］風(fēng)道結(jié)構(gòu)的并行通風(fēng)散熱的冷卻性能。宋俊杰等［11］以38120型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種新型的反向風(fēng)冷來提高電池模塊溫度的一致性。He等［12］設(shè)計(jì)了一種往復(fù)式風(fēng)冷的散熱系統(tǒng)，來提高電池模塊溫度的一致性，但最高溫度稍微增加。劉振軍等［13］對(duì)電池組自然風(fēng)冷進(jìn)行建模和溫度場(chǎng)仿真分析，提出了電池組散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

本文以26650型磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種含折流板的串行風(fēng)冷結(jié)構(gòu)對(duì)45節(jié)圓柱形電池組成的電池模塊進(jìn)行往復(fù)式風(fēng)冷散熱，采用Fluent軟件對(duì)該電池模塊的二維熱場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬仿真，討論了折流板間距和單向風(fēng)冷方向改變次數(shù)對(duì)散熱效果和溫度均勻性的影響。

1 風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為含折流板的5＊9串電池模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，圖示中電池的間距為10mm，上半部分和下半部分缺口的折流板相間排列，其間距為72mm（相隔1排電池），鋁制折流板的厚度1mm，模擬仿真時(shí)，定義該電池模塊為模型2。為了說明折流板的散熱增強(qiáng)效果和優(yōu)化折流板的間距，定義不含折流板的電池模塊（其它參數(shù)不變）為模型1，折流板間距36mm（不相隔電池）、108mm（相隔2排電池）的電池模塊定義為模型3和模型4。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 電池生熱和傳熱模型

鋰電池充放電時(shí)產(chǎn)生的熱量由歐姆內(nèi)阻熱Qj、極化熱Qp、反應(yīng)熱Qr和副反應(yīng)熱Qs四部分組成，正常充放電的情況下，副反應(yīng)熱很小，可忽略不計(jì)，Bernardi［14］假設(shè)電池是均勻發(fā)熱體，從熵增原理和電池內(nèi)阻出發(fā)，提出了鋰電池產(chǎn)熱的簡(jiǎn)化模型：

式中：I為電流，Vo和U為電池開路電壓和工作電壓，T為工作溫度，為電化學(xué)反應(yīng)的熵系數(shù)，其大小與溫度和電池的荷電狀態(tài)（S OC）有關(guān)，平均值取0.4mV·K-1［15］，Rj和RP分別為歐姆電阻和極化電阻。

根據(jù)能量守恒和傅里葉定律，在柱坐標(biāo)下可建立圓柱形電池內(nèi)部的非穩(wěn)態(tài)三維導(dǎo)熱微分方程：

式中：ρ、Cp分別為電池的密度和比熱容，λr、λφ、λz分別為電池的徑向、周向和軸向的導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，qv為單位體積的發(fā)熱功率。圓柱形電池看做均勻發(fā)熱體，并忽略軸向空氣散熱效率的差異，式（2）可簡(jiǎn)化為徑向一維導(dǎo)熱方程：

電池包內(nèi)部空氣流體傳熱控制方程由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程組成，通用的控制方程可寫成：

式中：對(duì)于質(zhì)量方程、動(dòng)量方程和能量方程，通用變量Θ分別取1、T和，Гθ和Sθ是擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)。

2.2 瞬態(tài)熱模擬

采用Fluent前處理軟件Gambit對(duì)電池模塊進(jìn)行二維建模，并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為不規(guī)則的四邊形。選用Fluent中的Energy和Flow模塊對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散求解，空氣流動(dòng)模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，電池、空氣流體和折流板的接觸界面直接耦合（Coupled）傳熱。迭代計(jì)算時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)（Step）設(shè)置1s，能量殘差值設(shè)置為10-6，其它質(zhì)量、動(dòng)量等殘差值為10-3。模擬計(jì)算時(shí)，輸入材料的物性參數(shù)如表1所示：

2.3 單體電池升溫與模擬結(jié)果比較

為了驗(yàn)證所建立的鋰電池產(chǎn)熱、傳熱模型的正確性，首先用直流電阻負(fù)載PEL-3041（Good Will Instrument Co.，Ltd，Taiwan）對(duì)單體電池進(jìn)行5C倍率放電，用8路溫度測(cè)試儀AT4508（常州安柏精密儀器有限公司）采集電池表面的溫度，并與模擬值相比較，如圖2所示。隨著放電倍率的增加，歐姆電阻熱和極化電阻熱增加，反應(yīng)熱的比例下降，云鳳玲［16］研究表明三元電池2C放電，反應(yīng)熱僅占11%。本實(shí)驗(yàn)電池5C放電，反應(yīng)熱可忽略不計(jì)，故電池表面的溫度隨時(shí)間幾乎呈線性變化，與模擬值吻合得較好，放電末期，實(shí)驗(yàn)值略低于模擬值，可能是由于電池容量下降，放電電流下降。

表1 模擬計(jì)算的材料物性參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 折流板間距優(yōu)化

圖3為5C放電末期，進(jìn)口風(fēng)速1m·s-1時(shí)電池模塊溫度場(chǎng)分布，從圖中可以看出，無折流板的電池模塊（模型1）溫度場(chǎng)分布以對(duì)角線為分界線，對(duì)角線下方三角形區(qū)域是高溫區(qū)，上方是低溫區(qū)。電池模塊中加入折流板改變了電池模塊中的溫度場(chǎng)分布，折流板后方靠近電池箱壁的電池仍然是高溫區(qū)，但高溫區(qū)域面積明顯減小。模擬計(jì)算時(shí)，假設(shè)電池箱絕熱，實(shí)際工作時(shí)，靠近電池箱壁四周的電池的熱量會(huì)向外界散失一部分，使得電池箱四周高溫區(qū)域得到改善。模型2、模型3和模型4分別含有4塊、7塊和3塊折流板，折流板的相應(yīng)間距分別為72、36和108mm，模型3的散熱效果最差，最高溫度反而增加1℃。為了定量地比較4種模型的散熱效果，模擬計(jì)算時(shí)監(jiān)測(cè)了電池模塊進(jìn)風(fēng)口處和出風(fēng)口處總的熱流值，如圖4所示。模型2的熱流值最大，為1 385W；模型3的熱流值最低，反而低于模型1。與模型1相比，進(jìn)口風(fēng)速1m·s-1時(shí)，模型2的散熱效率提高了約8%。圖5比較了模型1和模型2不同風(fēng)速時(shí)的熱流值，從圖中可以看出，隨著風(fēng)速的增大，模型2的散熱效果逐漸增強(qiáng)。風(fēng)速0.5m·s-1時(shí)，與模型1相比，模型2的散熱效率僅提高了3.76%；風(fēng)速2.5m·s-1時(shí)，散熱效率提高到14.28%。折流板提高空氣對(duì)流散熱效果可從兩方面解釋：（1）折流板相當(dāng)于散熱翅片，增加了散熱面積；（2）折流板改變了風(fēng)道，風(fēng)道呈“蛇形”分布（圖6）。

圖6為風(fēng)速1m·s-1時(shí)，電池模塊內(nèi)部空氣流場(chǎng)分布，從圖中可以看出，無折流板時(shí)，空氣流體分層沿水平向右流動(dòng)；增加了折流板，空氣流體環(huán)繞著電池流動(dòng)，呈“蛇形”向右流動(dòng)，增加了與電池的接觸面積。在折流板缺口的正前方，空氣流體以較高的速度橫向沖刷電池，較低的雷諾數(shù)（Re）下，空氣流體可由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧?，提高了空氣流體對(duì)流換熱效率?？拷姵叵浔诘恼哿靼逭蠓絽^(qū)域空氣流速小，出現(xiàn)了渦流區(qū)，換熱效率低，故這個(gè)區(qū)域的電池溫度高。模型3折流板過于密集，空氣流體未充分發(fā)展，局限于中間電池兩邊空隙流動(dòng)，其它大部分區(qū)域空氣流體幾乎靜止，故散熱效率最低。模型4和模型2的空氣流場(chǎng)分布相似，因此散熱效率相當(dāng)。從以上討論可得到，折流板之間間隔1排電池（模型1）或2排電池（模型2）較為合適。

3.2 空氣流體往復(fù)循環(huán)的散熱效果

在電池模塊中加入折流板盡管提高了空氣流體的散熱效率，但溫度的均勻性并未得到改善，為了提高強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的均勻性，模擬計(jì)算時(shí)周期性地變換空氣流體的運(yùn)動(dòng)方向，圖7是電池模塊內(nèi)部最大溫差與空氣流體方向變換次數(shù)的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，未改變空氣流動(dòng)方向（即單向流動(dòng)），模型1和模型2的最大溫差超過10℃；隨著空氣流動(dòng)方向變換的次數(shù)增大（即單向流動(dòng)的時(shí)間變短），溫差逐漸減小，變化次數(shù)達(dá)到5次（單向流動(dòng)的時(shí)間為120s），風(fēng)速1m·s-1時(shí)，模型1和2的溫差分別為5.4℃和6.0℃，風(fēng)速5m·s-1時(shí)，分別為6.2℃和5.0℃。比較圖7（a）和（b）可以看出，進(jìn)口處風(fēng)速1 m·s-1增加到5m·s-1時(shí)，模型1的溫差增加了0.8℃，而模型2的溫差減小了1℃，這說明風(fēng)速較大時(shí)，折流板的擾流可進(jìn)一步提高電池模塊的溫度均勻性，從圖6空氣流場(chǎng)分析可知，折流板的擾流作用使空氣流體由原來的分層流動(dòng)變?yōu)殄e(cuò)流，空氣流體呈“蛇形”分布，風(fēng)速越大，折流板的強(qiáng)化換熱作用越能得到顯現(xiàn)，使得電池模塊最高溫度下降（圖8b），故溫度均勻性增加。

圖8為空氣流動(dòng)方向改變5次，模型1和2的電池模塊內(nèi)部溫度場(chǎng)分布，與空氣單向流動(dòng)相比，電池模塊內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布發(fā)生了變化；模型1的高溫區(qū)域由對(duì)角線下方區(qū)域（靠風(fēng)口處）向中心處轉(zhuǎn)移；模型2的高溫區(qū)域分布在靠電池箱壁的最上面一排和最下面一排的電池。比較圖8（a）和（b）可以看出，風(fēng)速1m·s-1時(shí)，折流板的強(qiáng)化換熱作用使高溫區(qū)域面積減小，但最高溫度并未下降；風(fēng)速5m·s-1時(shí)，折流板強(qiáng)化換熱作用進(jìn)一步增強(qiáng)，與模型1相比，模型2的最高溫度下降了2℃。

圖9為模型2的電池模塊溫度變化曲線，從圖中可以看出，進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處電池的溫度隨著空氣流動(dòng)方向改變呈交替變化，放電末期，進(jìn)風(fēng)口處和出風(fēng)口處的電池溫度相等，中心處的電池溫度高于平均溫度。比較圖9（a）和（b）可以看出，風(fēng)速增加到5m·s-1時(shí)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫差減小，說明隨著風(fēng)速的增大，電池模塊溫度均勻性提高。

4 結(jié)論

為了提高圓柱形電池模塊強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果和溫度均勻性，提出了一種含折流板的串行風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，通過往復(fù)循環(huán)風(fēng)冷對(duì)該電池模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，利用Fluent 6.3模擬其內(nèi)部的溫度場(chǎng)和空氣流場(chǎng)，主要結(jié)論如下：

（1）合理設(shè)置折流板的間距可以提高強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱效果，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的電池模型，折流板間距72mm的電池模塊散熱效果最高；風(fēng)速越高，折流板的強(qiáng)化換熱效果提高越明顯。

（2）電池模塊內(nèi)部流場(chǎng)顯示，折流板的擾流作用使空氣流體由分層流動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殄e(cuò)流（繞圓柱形電池呈“蛇形”流動(dòng)），但折流板正后方（相對(duì)空氣的來流速度）靠近電池箱壁的區(qū)域空氣流動(dòng)速度小，為渦流區(qū)。

（3）空氣單向流動(dòng)，電池模塊的最大溫差超過10℃，電池模塊的溫差隨著循環(huán)次數(shù)的增大而減??；風(fēng)速1m·s-1，流動(dòng)方向改變5次，模型2的溫差為6℃，進(jìn)口風(fēng)速5m·s-1，溫差降為5℃，風(fēng)速較大時(shí)，折流板強(qiáng)化換熱能提高強(qiáng)制風(fēng)冷散熱的均勻性。