鋰離子電池強制風(fēng)冷熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

汪鵬偉

摘要：本文針對18650鋰離子電池建立了基于多風(fēng)口的電池模塊，并結(jié)合計算流體動力學(xué)（CFD）方法對模塊結(jié)構(gòu)進行了一系列優(yōu)化。一方面探討了進出口數(shù)量的變化對電池模塊冷卻性能的影響，與此同時也討論了進出口的位置與尺寸的影響。結(jié)果表明，左右兩側(cè)進風(fēng)底部兩角落出風(fēng)的進出口布局明顯優(yōu)于其它布局方式，且與基礎(chǔ)模型相比最高溫度降低8.250℃（17.9%），最大溫差減小3.943℃（37.8%）。此優(yōu)化后的模塊結(jié)構(gòu)可為強制風(fēng)冷策略下的電池熱管理系統(tǒng)提供有效參考。

關(guān)鍵詞：電池熱管理;CFD;結(jié)構(gòu)優(yōu)化;多風(fēng)口

中圖分類號：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0197-02

0? 引言

近年來，全球?qū)茉吹拇罅肯囊l(fā)了一系列諸如環(huán)境惡化、資源短缺等問題，而這些問題的出現(xiàn)為電動汽車的發(fā)展提供巨大動力。鋰離子電池作為綜合性能最佳的動力電池，因具有能量密度高、比功率大[1]等優(yōu)點而適用于電動汽車。但其性能受制于工作溫度，鋰電池的理想工作溫度為20～40℃[2]，且溫差不宜過大，因此設(shè)計合理的電池熱管理系統(tǒng)（BTMS）至關(guān)重要。目前，常見的熱管理系統(tǒng)包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻以及多種方式組合冷卻。在多種熱管理方式中，空氣冷卻因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高、易于維護[3]等優(yōu)點而被廣泛研究。Wang等人[4]討論了強制風(fēng)冷下不同電池排列方式與風(fēng)口位置對模塊冷卻性能的影響，結(jié)果表明，頂進底回的風(fēng)口設(shè)計冷卻效果最好，且當著重考慮冷卻性能時，5×5立方結(jié)構(gòu)的效果最佳;當著重考慮空間利用率時，19節(jié)電池的六邊形結(jié)構(gòu)效果最佳。Jilte等人[5]提出了一種空氣與相變材料復(fù)合的冷卻方式，將電池組分成多個模塊，并對各個模塊單獨進行溫度控制，發(fā)現(xiàn)在不同放電倍率和環(huán)境溫度下，空氣冷卻可將電池組的溫升控制在5℃以內(nèi)，相變材料冷卻可將電池組的溫升控制在0.12℃以內(nèi)。Chen等人[6]結(jié)合牛頓法和流阻網(wǎng)格模型優(yōu)化了并聯(lián)風(fēng)冷電池熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示當固定入口風(fēng)量和電池發(fā)熱量時，優(yōu)化后電池組的最大溫差可減小45%;當固定電池組功耗和電池發(fā)熱量時，優(yōu)化后電池組的最大溫差可減小41%。本文可在功耗變化較小的情況下通過增設(shè)多風(fēng)口來優(yōu)化模塊結(jié)構(gòu)。既保證了相對簡單的結(jié)構(gòu)，又可顯著提升冷卻性能。

1? 數(shù)值模擬

1.1 CFD建模

本文所采用的帶有強制空氣冷卻的電池模塊由內(nèi)部電池組及外部箱體組成，內(nèi)部電池組由25節(jié)18650鋰離子電池矩形排列而成，箱體表面開設(shè)有隨模塊布局改變而改變的進出風(fēng)口，且風(fēng)口布局遵循對稱設(shè)計及合理分配風(fēng)量的原則，故優(yōu)選進（出）風(fēng)口數(shù)量為1或2。當進（出）風(fēng)口數(shù)量為1時，進（出）風(fēng)口半徑設(shè)定為20mm;當進（出）風(fēng)口數(shù)量為2時，進（出）風(fēng)口半徑設(shè)定為14mm。電池模塊結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。為便于數(shù)值計算，本文基于CFD方法假設(shè)了一個特定的模擬分析環(huán)境：①環(huán)境溫度與模型初始溫度均設(shè)定為25℃;②電池材料采用18650鋰電池，且將內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鋰電池簡化為電池集總模型;③電池放電過程中產(chǎn)熱穩(wěn)定，基于穩(wěn)態(tài)模擬，采用標準的k-ε湍流模型在FLUENT中進行數(shù)值求解;④進風(fēng)口為速度入口，出風(fēng)口為壓力出口;⑤電池模塊總進風(fēng)量固定為2.8903E-3m3/s，且當進風(fēng)口為多個時，各進風(fēng)口等分風(fēng)量;⑥根據(jù)進風(fēng)口的數(shù)量變化，雷諾數(shù)Re取值為2994.86～5989.72，故壁面函數(shù)設(shè)置為增強型壁面。模擬參數(shù)如表1所示。

1.2 電池模塊控制方程

放電過程中，電池模塊的控制方程可表示為式（1）～式（3）[4]。

連續(xù)性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

2? 結(jié)果與討論

2.1 電池模塊設(shè)計的相關(guān)說明

本文使用的熱特性評價指標包括：電池組的最高溫度Tmax、各單體電池間的最大溫差ΔT、平均溫度T以及溫度的標準偏差Tdev。其中，Tmax不應(yīng)超過40℃，且Tmax和T越低，電池組冷卻性能越好;ΔT和Tdev表示電池組的溫均性，Tdev的計算公式可表示為：

因進出口數(shù)量及位置的變化較多，針對進出口做如下設(shè)計：進（出）口數(shù)量優(yōu)選為1或2，即1進1回、2進2回。將箱體各面和進出口位置簡化為如圖2所示的代號。其中箱體各面表示為A～F，進出口的圓心位置表示為a、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，a位于殼面的中心位置，b位于中軸線上，c處于四角位置，且位于b、c處的風(fēng)口的邊緣和箱體邊緣留有1mm間隙。

2.2 不同風(fēng)口數(shù)量與位置的模塊布局

在電池恒定放電過程中，因電池內(nèi)部自熱及電池間互熱，導(dǎo)致電池溫度不斷升高，直至放電結(jié)束時達到最高，且此工作環(huán)境下的鋰電池常突破20～40℃的最佳溫度范圍，因此本文采用強制風(fēng)冷的方式試圖將其控制在最佳溫度范圍內(nèi)。為研究多進出口的冷卻效果，本文首先進行了單進出口的模擬，并以1進1回-底部進風(fēng)頂部出風(fēng)的工況為基礎(chǔ)模型。如表2為1進1回布局的熱特性，其中布局（頂中間進底中間回）的冷卻性能明顯優(yōu)于基礎(chǔ)模型，其溫度分布如圖3所示。由圖3可知，由于冷卻氣流較窄，四角位置的電池溫度相對中部更高，這導(dǎo)致電池組的超過40℃，故還需在后續(xù)模擬中優(yōu)化模塊布局。

表3為2進2回布局的熱特性，僅布局（左右側(cè)右上角進底部下邊兩角回）的Tmax在0～40℃內(nèi)，其進口附近的電池溫度較低，出口附近次之，中部溫度普遍較高，原因在于渦流的產(chǎn)生極大影響了氣流與電池表面的熱交換。本節(jié)經(jīng)數(shù)值計算獲得的優(yōu)化模型與基礎(chǔ)模型（1進1回-底部進風(fēng)頂部出風(fēng)）相比Tmax降低8.250℃（17.9%），ΔT減小3.943℃（37.8%），T降低4.169℃（10.5%），Tdev減小1.497℃（42.9%），且其冷卻性能與本研究的其它任何模型相比都更具優(yōu)勢，故此將之作為本文的最優(yōu)模型。

3? 結(jié)論

本文針對18650鋰離子電池模塊進行了一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過在模塊箱體上設(shè)置多個風(fēng)口以及改變進出風(fēng)口安裝位置與尺寸的方式來改進以往單進單出的風(fēng)口布局方式中存在的局部溫度過高以及電池組溫均性差等問題。主要結(jié)論如下：①在保持總進氣量不變的前提下，通過增加進出口可獲得良好的冷卻效果。強制風(fēng)冷散熱下的冷卻性能主要受冷卻氣流的路徑、速度及溫度的影響，當進出風(fēng)口數(shù)量發(fā)生改變時，這些影響因素會隨之改變。②結(jié)合風(fēng)口數(shù)量、位置及尺寸這三個變化因素優(yōu)化電池模塊結(jié)構(gòu)可顯著提升冷卻性能。本文所討論的進出口優(yōu)化方案中，左右兩側(cè)進風(fēng)底部兩角落出風(fēng)的布局方式冷卻效果最佳。此方案與基礎(chǔ)模型相比Tmax和ΔT分別降低8.250℃（17.9%）以及3.943℃（37.8%）。

參考文獻：

[1]T. Sasaki， Y. Ukyo， P. Novák， Memory effect in a lithium-ion battery， Nat. Mater. 12 （2013） 569.

[2]K. Chen， Y.M. Chen， Z.Y. Li， F. Yuan， S.F. Wang， Design of the cell spacings of battery pack in parallel air-cooled battery thermal management system， Int. J. Heat Mass Transf. 127 （2018） 393-401.

[3]K. Chen， Z. Li， Y. Chen， S. Long， J. Hou， M. Song， S. Wang， Design of parallel aircooled battery thermal management system through numerical study， Energies 10 （2017） 1677.

[4]T. Wang， K.J. Tseng， J.Y. Zhao， Z.B. Wei， Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies， Appl. Energy 134 （2014） 229-238.

[5]R.D. Jilte， R. Kumar， M.H. Ahmadi， L.G. Chen， Battery thermal management system employing phase change material with cell-to-cell air cooling， Appl. Therm. Eng. 161 （2019） 114199.

[6]K. Chen， S.F. Wang， M.X. Song， L. Chen， Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system， Int. J. Heat Mass Transf. 111 （2017） 943-952.