圓柱形鋰電池組風(fēng)冷散熱性能仿真研究與優(yōu)化

陳紅，趙樹男

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室，珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點實驗室，珠海 519070； 3.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

動力鋰電池由于其能量密度高、電壓高、比功率大、循環(huán)性能好、無污染等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車[1]。為滿足汽車正常行駛所需能量和續(xù)航里程，電池數(shù)量較多，一般將單體電池串并聯(lián)密集排列組成電池組以節(jié)約安裝空間。單體電池在電池組所處散熱環(huán)境不同造成個體溫度差異。在熱電耦合作用下，溫度高的電池內(nèi)阻會減小，使得流經(jīng)該電池的電流增大，電池單體荷電狀態(tài)愈加不均，加速電池組劣化，進而影響電池工作效率及壽命，甚至存在嚴重的安全隱患。因此，針對電池組散熱性能及單體間不一致性進行有效的熱管理十分有必要。研究表明，鋰電池最佳工作溫度范圍為15～35 ℃，控制單體電池間溫差不超過5 ℃，最高安全溫度不超過55 ℃時，電池組可獲得較好的工作性能及壽命[2]。常用熱管理技術(shù)包括空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻等。相比其他冷卻方式，空氣冷卻技術(shù)成本更低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，已成為動力鋰電池?zé)峁芾碜畛Ｓ玫慕鉀Q方案之一[3]。

冷卻系統(tǒng)散熱性能主要受介質(zhì)物性及散熱結(jié)構(gòu)影響。介質(zhì)物性影響電池表面熱傳遞效率，散熱結(jié)構(gòu)影響電池組內(nèi)部流場，進而影響整體散熱效能。Saw等[4]通過實驗和數(shù)值模擬，研究了霧式冷卻的熱工性能，發(fā)現(xiàn)采用霧冷卻系統(tǒng)電池溫度分布較采用干空氣冷卻系統(tǒng)更均勻、溫度更低，性能提升高達45 %。Chen等[3]對并行風(fēng)冷系統(tǒng)進行CFD仿真計算，研究電池組運行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻性能的影響。結(jié)果表明，減小進風(fēng)溫度或增大進口流量均可降低電池最高溫度；改變進、出風(fēng)腔角度可有效改善系統(tǒng)冷卻性能。Chen等引入牛頓法與流動阻力網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法，以使冷卻通道內(nèi)氣流速度標準差最小為目標，分別求解了最優(yōu)壓室寬度[5]、電池間距[6]參數(shù)。根據(jù)解值進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)，冷卻性能得到顯著改善，電池組最大溫差降低40 %以上。Esfahanian等[7]設(shè)計了耦合熱電技術(shù)的風(fēng)冷系統(tǒng)，數(shù)值計算結(jié)果表明，在高充放電速率和環(huán)境溫度大于40 ℃情況下，電池溫度可保持在35 ℃以下，溫差不超過5 ℃。Mousavi等[8]設(shè)計了裝置于車輛儀表盤前的鋰離子電池組，該電池組采用縱向管風(fēng)道散熱。利用遺傳算法對管徑、風(fēng)速等目標函數(shù)進行優(yōu)化，管徑取極值，風(fēng)速為2.6 m/s時電池組可取得最佳散熱效果。Yang等[9]采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對LiFePO4電池組圓柱形電池不同布置方式下的熱性能進行了比較分析，發(fā)現(xiàn)冷卻介質(zhì)流量一定時，交錯排列的電池最大溫升與縱向間距成正比，對齊排列電池與之相反；橫向間距增大，交錯排列、對齊排列電池溫升均會增加。張鑫等[10]對并行風(fēng)冷的方形動力鋰電池組進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)行排列單體電池的最高溫度比列排列高，風(fēng)冷流場設(shè)計以列排列方式為宜。

文獻多針對影響風(fēng)冷散熱性能的關(guān)鍵因素進行逐項分析，未考慮實際應(yīng)用中因素間的制約作用，對有限條件下的散熱性能優(yōu)化研究較少。對于外形尺寸、風(fēng)扇功率固定的圓柱形鋰離子電池組，為提升其性能及使用壽命，本文建立了數(shù)值仿真模型，對影響電池組散熱性能的因素進行了分析，提出優(yōu)化策略，有效解決電池組局部超溫問題。

1 研究對象

鋰電池裝配在箱體圓筒形通道內(nèi)，兩端電極與鋁排接觸實現(xiàn)電池串、并聯(lián)，通過排風(fēng)風(fēng)扇的抽吸作用從進風(fēng)口引入外側(cè)空氣帶走電池產(chǎn)熱，如圖1。箱體為一體注塑成型，裝置電池的圓筒形通道形成各排電池間的波浪形風(fēng)道，箱體外側(cè)與電池組外殼形成殼側(cè)風(fēng)道，具體細節(jié)見圖2。

圖1 電池組三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 箱體細節(jié)圖

以電池組為研究對象，通過數(shù)值仿真方法分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)對電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)性能的影響。重點考察電池表面最高溫度及電池組內(nèi)單體電池間最大溫差。兼顧工作能力與成本，控制電池最高溫度不超過50 ℃，單體電池間溫差不超過5 ℃。對電池組整體進行幾何建模，將不影響研究問題的非關(guān)鍵幾何進行簡化，如連接件、脫模倒角工藝特征等，避免網(wǎng)格數(shù)量過多，或生成質(zhì)量較差的網(wǎng)格影響仿真計算的收斂性。電池組外殼尺寸730 mm×208 mm×345 mm，內(nèi)部放置36個圓柱形鋰電池，按4排并行排列，單體電池尺寸為φ65×160 mm。幾何模型中不設(shè)置排風(fēng)風(fēng)扇實體，通過在出口面設(shè)置速度邊界實現(xiàn)出流空氣模擬計算。進風(fēng)口因受附加部件遮擋，進風(fēng)位置、面積按實際狀態(tài)進行簡化表達，設(shè)置為上下兩個長方形入口。具體模型見圖3。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

電池柱形表面與圓筒形通道接觸，工作時產(chǎn)熱沿筒體厚度方向傳導(dǎo)進入散熱風(fēng)道通過風(fēng)機排出箱體；部分熱量沿軸向方向傳導(dǎo)至與之接觸的鋁排，加熱兩側(cè)薄腔內(nèi)空氣并通過側(cè)殼散熱。進行網(wǎng)格劃分時，需生成電池、箱體、鋁排等固體網(wǎng)格和空氣流體域網(wǎng)格。鑒于模型的復(fù)雜性，使用ICEM軟件對幾何進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并配合網(wǎng)格參數(shù)差異化設(shè)置，使得網(wǎng)格數(shù)量維持在適宜水平減少計算成本，并滿足必要的精度[11]。生成計算域網(wǎng)格見圖4。

2.2 計算模型

電池生熱主要包括內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)熱、電流通過電阻產(chǎn)生的焦耳熱、化學(xué)反應(yīng)過程中電極引起的極化內(nèi)阻產(chǎn)生的極化熱，以及高溫工作下電解質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)熱。本文動力電池生熱量采用Bernardi D生熱速率模型，計算公式如下[12]：

式中：

q—單位體積電池生熱率；

V—電池單體體積；

T—工作溫度；

E、Eo—電池單體電壓、電池開路電壓。

根據(jù)式（1）中，E-Eo= IR，電池單體生熱量可轉(zhuǎn)化為：

式中：

I—電池工作時的充放電電流，充電時電流為正，放電時為負；

R—電池歐姆內(nèi)阻。

電池組內(nèi)換熱形式較復(fù)雜，包括熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種形式。因電池箱結(jié)構(gòu)緊湊，空氣強制流動作用明顯，熱輻射相較其它熱傳遞形式作用微弱，計算模型中進行忽略[13]。

圖3 電池組幾何計算模型

圖4 網(wǎng)格劃分

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律[14]：

式中：

φ—熱流量；

λ—材料熱導(dǎo)率；

空氣流過散熱風(fēng)道表面時發(fā)生熱對流，遵循牛頓冷卻公式[14]：

式中：

h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

A—接觸面積；

tw、tf—物體壁面溫度、流體溫度。

應(yīng)用Fluent軟件對電池組進行數(shù)值模擬分析，質(zhì)量、能量、動量通用控制方程為[15]：

式中：

φ—通用變量；

Γφ—廣義擴散系數(shù)；

U—速度矢量；

Sφ—廣義源項。

選用Realizablek-ε雙方程湍流模型，近壁面采用壁面函數(shù)處理法。各標量，如壓力、動量、能量項等采用二階迎風(fēng)離散格式，壓力-速度耦合方程采用SIMPLEC算法[13]。使用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器對電池組內(nèi)部流場、溫度場進行數(shù)值仿真，監(jiān)測電池平均溫度、排風(fēng)口壓力。當(dāng)質(zhì)量、動量方程殘差達到1e-3，能量方程殘差達到1e-6，監(jiān)測溫度、壓力值基本不變時，計算即達到收斂[11]。

2.3 物性處理與邊界條件

電池內(nèi)部發(fā)熱復(fù)雜，為便于進行熱分析模擬，建立傳熱模型時，對電池做如下假設(shè)[1]：

1）電池內(nèi)部各材料物性相同且各向同性；

2）忽略電池內(nèi)部熱輻射作用；

3）電池內(nèi)部各材料比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)不受放電深度及環(huán)境溫度影響；

4）電池充、放電時，內(nèi)部各處電流密度分布均勻，生熱速率相同。

鋰離子電池一般由多種材料組合而成，利用工程測量方法難以獲取準確熱物性參數(shù)，可采用等效近似方法來計算[16]。通過對組成電池的各種材料的比熱進行質(zhì)量加權(quán)平均得到電池平均比熱容：

式中：

ρi、Vi—電池各層材料密度、體積；

ci—電池各層材料比熱容。

使用等效熱阻法計算導(dǎo)熱系數(shù)。單體電池導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性，通常簡化為沿三個坐標軸方向具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，且每個方向上是均勻的。

根據(jù)串聯(lián)電阻法，電池徑向?qū)嵯禂?shù)：

根據(jù)并聯(lián)電阻法，電池軸向、周向?qū)嵯禂?shù)：

式中：

hi—電池各層材料厚度；

λi—電池各層材料導(dǎo)熱系數(shù)。

大氣壓力為101.325 kPa，環(huán)境溫度為25 ℃?？諝馕镄园闯?shù)設(shè)置，考慮重力粘性特性及浮力特性。固體域參考實際選材，分別對外殼塑料、箱體塑料、電池以及鋁排進行參數(shù)設(shè)定，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。

電池設(shè)置為體熱源，熱源密度由發(fā)熱功率與幾何體積的比值求得。根據(jù)電池發(fā)熱模型計算電池發(fā)熱功率，單體電池約為15 W。

外殼壁面定義為與空氣自然對流換熱壁面，換熱系數(shù)值設(shè)為5 W/m2·k[17]，與流體域接觸的邊界面設(shè)定為耦合壁面。

進風(fēng)口為壓力入口邊界，參考實際風(fēng)扇能力設(shè)定入口總壓，溫度為25 ℃；出風(fēng)口為壓力出口邊界，靜壓設(shè)為0 Pa。

3 結(jié)果與分析

為方便分析，對單體電池進行編號。電池行從上至下依次為第一至第四排電池，每排電池靠近進風(fēng)口側(cè)為起始編號，如第一排電池從右至左為1～9#電池，以此類推。

將數(shù)值仿真結(jié)果導(dǎo)入CFD Post進行后處理，分析風(fēng)冷風(fēng)道內(nèi)流體流動和傳熱特性。穩(wěn)態(tài)仿真下，電池組溫度場分布云圖如圖5所示。

右側(cè)為進風(fēng)口，左側(cè)為出風(fēng)口。從圖5可以看出，電池溫度沿空氣流動方向逐漸升高；各排電池間，第二、三排電池溫度較高，一、四排電池溫度較低。沿空氣流動方向各排電池為串行排列，通過進風(fēng)口進入的冷卻風(fēng)沿風(fēng)道與電池不斷進行對流換熱，溫度逐漸升高，致使靠近出風(fēng)口處的電池散熱環(huán)境逐漸惡化，散熱效率降低。各排電池所處散熱條件有差異，第二、三排電池兩側(cè)均有發(fā)熱源，而一、四排電池僅受相鄰單排電池?zé)嵩吹挠绊?，故溫度分布低于中間排電池。

電池組速度矢量圖如圖6所示。中間三條波浪形風(fēng)道風(fēng)速大于兩側(cè)殼側(cè)風(fēng)道，進、出風(fēng)口附近存在局部渦流死區(qū)。冷卻風(fēng)經(jīng)進風(fēng)口進入風(fēng)道后，根據(jù)風(fēng)道阻力大小分配進入各風(fēng)道的流量。受進風(fēng)口位置影響，相較殼側(cè)風(fēng)道，中間波浪形風(fēng)道離進風(fēng)口更近，冷卻風(fēng)更易進入中間波浪形風(fēng)道，而殼側(cè)風(fēng)道分配風(fēng)量稍小。同時，1#、28#電池風(fēng)道上設(shè)有橫向肋，進風(fēng)口進入的冷卻風(fēng)需克服較大阻力繞過橫向肋才能進入殼側(cè)風(fēng)道，繞流過程橫向肋背風(fēng)側(cè)會產(chǎn)生局部渦流造成風(fēng)量損失。殼側(cè)風(fēng)道的鋸齒形蓋板設(shè)置未達到預(yù)期擾流強化換熱作用，反而因減小有效流通截面積，增大了流動阻力，進一步削減了殼側(cè)風(fēng)道有效風(fēng)量。

進風(fēng)口為兩條條縫，下進風(fēng)口面積為上進風(fēng)口的1.5倍，電池組下側(cè)進風(fēng)量高于上側(cè)，因而第三波浪形風(fēng)道風(fēng)速高于第一、二波浪形風(fēng)道。

電池溫度分布受多因素綜合影響。雖然第二、三排電池周圍散熱風(fēng)道流速高，但其因兩側(cè)均有發(fā)熱源，散熱風(fēng)道負荷大，電池溫度分布高于第一、四排電池。而第三波浪形風(fēng)道風(fēng)速高于第一波浪風(fēng)道，因此第四排電池溫度略低于第一排電池溫度。

單體電池最高溫度分布見圖7。對于單排串行風(fēng)道，流過不同電池的先后順序影響了局部散熱的效率，造成不同位置電池溫差。電池產(chǎn)熱導(dǎo)出速率慢、冷卻風(fēng)吸收熱量未及時排出等因素加劇了這一差異。第一、二、三、四排電池單體間最大差異分別為6.5 ℃、8.1 ℃、9.1 ℃、5.7 ℃，電池溫度最高、低值分別為出、進風(fēng)口處電池。

圖5 電池組溫度分布云圖(單位: ℃)

圖6 電池組速度矢量圖(單位: m/s)

圖7 單體電池最高溫度示圖(單位: ℃)

對于整個電池組，18#電池溫度最高，為52.5 ℃；28#電池溫度最低，為42.8 ℃。其中，9個電池溫度超過了50 ℃限值，單體電池間最大溫差9.7 ℃，遠大于5 ℃的預(yù)定目標，無法滿足使用要求。

4 優(yōu)化方案

針對單體電池最高溫度超限，電池間溫度均勻性差問題，對原電池組風(fēng)道結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化?？紤]成本問題，電池組外形尺寸、風(fēng)扇輸出功率等均保持不變，通過風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)有效風(fēng)量增大以改善電池組整體散熱性能。優(yōu)化方案如下：

1）因鋸齒形蓋板改善散熱能力有限，取消此結(jié)構(gòu)以提供風(fēng)道寬度可調(diào)整范圍。

2）對于第二、三排電池，主要通過增加波浪形風(fēng)道寬度來改善散熱。風(fēng)道加寬后，不僅可提高冷卻介質(zhì)入口流量，熱源的距離變遠也會使得散熱風(fēng)道負荷減小，有利于降低電池溫度。

3）橫向肋雖可增加換熱接觸面積，但其與冷卻介質(zhì)流動方向垂直，冷卻介質(zhì)需繞流過橫向肋才能進入各風(fēng)道。這不僅增加了冷卻介質(zhì)流動阻力，也導(dǎo)致局部渦流死區(qū)出現(xiàn)，使得有效風(fēng)量減小，不利散熱，因此取消橫向肋結(jié)構(gòu)。

4）對于第一、四排電池，因其距離進風(fēng)口較遠，增加新的進風(fēng)口是更好的優(yōu)化選擇，在上下蓋板上均開設(shè)條縫進口以增大有效進風(fēng)量，改善其散熱能力。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

對優(yōu)化方案進行仿真計算，電池組溫度云圖、速度矢量圖分別見圖9、圖10。

對比速度矢量圖6、10，風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各風(fēng)道流速均有提高，整個流場較優(yōu)化前更均勻，渦流死區(qū)也有所減少。優(yōu)化前風(fēng)道總風(fēng)量約為0.043 6 m3/s，優(yōu)化后提升至0.074 1 m3/s，提升率為70 %。

對比溫度云圖5、9，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各單體電池溫度均大幅下降，溫度均勻性也得到明顯改善。優(yōu)化前后單體電池最高溫度對比圖見圖11。

優(yōu)化后，電池組中26#單體電池溫度最高，為47.5 ℃，28#電池溫度最低，為42.6 ℃，單體電池間最大溫差4.9 ℃。滿足單體電池最高溫度不超過50 ℃，單體間溫差不超過5 ℃的使用要求。其中，18#電池降溫最多，為5.3 ℃，優(yōu)化率為10 %。電池組中單體電池最大溫差由9.7 ℃降低至4.9 ℃，提升率為49.5 %。

圖8 電池組優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖9 電池組溫度分布云圖(單位: ℃)

圖10 電池組速度矢量圖(單位: m/s)

圖11 優(yōu)化前后單體電池最高溫度對比示圖(單位: ℃)

5 結(jié)論

1）對圓柱形鋰電池叉形排列風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)進行建模和數(shù)值仿真分析。對于并行各排電池，越靠近外殼，電池散熱效果越好；對于單排串行電池，沿著流體流動方向，空氣溫度逐漸升高，單體電池散熱效果變差。

2）電池組外形尺寸、風(fēng)扇功率一定時，散熱性能受風(fēng)道寬度、進風(fēng)面積等因素影響。風(fēng)道寬度增大，進風(fēng)面積增加，風(fēng)道有效風(fēng)量增加，電池散熱性能得到改善。

3）本文原型電池組經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，有效風(fēng)量增加70 %，單體電池溫度最高降低5.3 ℃。溫度均勻性得到明顯改善，單體電池溫差由9.7 ℃降低至4.9 ℃，提升率為49.5 %。