擾流板對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能的影響研究

王 雨，唐 豪，龔 振

(南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210016)

鋰離子電池由于具有高比容量、優(yōu)異的循環(huán)壽命以及低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為目前電動(dòng)汽車應(yīng)用的主流。然而，鋰離子電池對(duì)溫度具有很高的敏感性，在日常使用中，電池組的溫度會(huì)直接影響到電池系統(tǒng)的安全、性能和使用壽命。為了保證電動(dòng)汽車整車的動(dòng)力性能和熱安全性能，應(yīng)該盡量使電池組處于理想工作溫度和溫差范圍內(nèi)。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照冷卻介質(zhì)的不同可以分為風(fēng)冷式、液冷式、相變材料冷卻、熱管冷卻和混合冷卻。其中風(fēng)冷式由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池組散熱。Xie 等[1]針對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)的進(jìn)出氣通道角度和電池間距進(jìn)行了正交研究，結(jié)果表明在進(jìn)出口角度均為2.5°且電池間氣流通道均勻的情況下，電池組冷卻性能最佳。Chen 等[2]提出了幾種不同進(jìn)出口布置的風(fēng)冷系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，空氣出入口的位置對(duì)風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)有顯著影響。Xu 等[3]研究了橫向通風(fēng)流道和縱向通風(fēng)流道對(duì)電池箱溫度的影響特性，結(jié)果表明，與縱向通風(fēng)流道相比，橫向通風(fēng)更能提高散熱性能。Hong 等[4]在Z 型空冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了第二個(gè)出風(fēng)口，其研究發(fā)現(xiàn)增加出風(fēng)口可以改善散熱系統(tǒng)的性能。

上述文獻(xiàn)表明，目前對(duì)電池組空氣冷卻散熱系統(tǒng)的優(yōu)化主要是針對(duì)電池組進(jìn)出口、電池排列方式等進(jìn)行的，對(duì)于在電池組中添加擾流板來(lái)提高電池組冷卻性能的研究還較為缺少。文獻(xiàn)[5]通過(guò)增加垂直擾流板以提高冷卻性能，但并未研究擾流板高度和角度的變化對(duì)冷卻效果的影響?；诖耍疚睦媒Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的空氣冷卻散熱方式，以方型鋰離子電池為研究對(duì)象，通過(guò)FLUENT 軟件對(duì)不同擾流板數(shù)量、布置、高度、角度和長(zhǎng)度下空氣冷卻電池組的散熱特性進(jìn)行了研究，旨在為空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定指導(dǎo)作用。

1 模擬方法與模型驗(yàn)證

1.1 模型描述

1.1.1 鋰離子電池組散熱幾何模型

本文對(duì)方型磷酸鐵鋰電池進(jìn)行研究，其電壓為3.2 V，容量為10 Ah。為了研究擾流板對(duì)冷卻空氣流道的影響，采用Z型電池散熱系統(tǒng)，建立的電池箱模型布置見圖1，電池箱的總尺寸為230 mm×73 mm×175 mm，其中電池尺寸為65 mm×16 mm×131 mm，電池箱外殼厚度為2 mm，電池間隔6 mm，進(jìn)氣和出氣口高度均為20 mm。進(jìn)氣口設(shè)置在電池箱右側(cè)底端，出風(fēng)口位于左側(cè)頂端，單體電池根據(jù)其到進(jìn)風(fēng)口距離的遠(yuǎn)近定義為電池1～10，空氣流道則相應(yīng)定義為流道1～11。

圖1 電池箱布置和擾流板幾何模型

1.1.2 擾流板模型

為進(jìn)一步提升原始模型對(duì)電池組的散熱性能，在電池正下方的空氣流場(chǎng)中添加厚度為0.5 mm 的擾流板。擾流板與電池箱的底部接觸，其底部邊緣與電池的端邊緣在同一垂直線上，如圖1 中擾流板位置處于電池3 下。本文所設(shè)計(jì)的擾流板初始長(zhǎng)度為65 mm，定義擾流板與電池箱底部之間的角度為α，擾流板的垂直高度為h。

1.2 模擬方法

1.2.1 條件假設(shè)

采用CFD 方法，對(duì)模擬做出以下假設(shè)：(1)對(duì)于低流速流動(dòng)，空氣不可壓縮；(2)環(huán)境溫度恒定，不隨時(shí)間變化；(3)電池是由各向異性材料制成的簡(jiǎn)單實(shí)體，具有恒定的熱導(dǎo)率和比熱容；(4)電池充放電時(shí)的產(chǎn)熱量為定值，不隨溫度和時(shí)間變化。

1.2.2 模擬設(shè)置

在仿真時(shí)設(shè)置基本條件為壓力求解器，穩(wěn)態(tài)求解方法，進(jìn)口設(shè)為速度入口(空氣流速為4 m/s)，出口設(shè)置為壓力出口，環(huán)境溫度為298.15 K。湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-e 模型。電池箱壁面與空氣自然對(duì)流，其對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)。電池箱、電池與空氣的物性參數(shù)見表1。

表1 各材料物性參數(shù)

1.3 電池組散熱系統(tǒng)模型驗(yàn)證

李淼林等[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行了溫度測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)測(cè)定了由10 塊電池單體組成的電池組在2C放電倍率下的表面溫度和溫差。本文在FLUENT 中設(shè)置與其實(shí)驗(yàn)相應(yīng)的仿真條件和內(nèi)熱源，同時(shí)在與實(shí)驗(yàn)相同的位置設(shè)有電池表面溫度測(cè)點(diǎn)。

電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果對(duì)比見圖2。圖2(a)為電池表面測(cè)點(diǎn)溫度仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比。由圖可知仿真得到的測(cè)點(diǎn)溫度的變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)值較吻合，但略低于實(shí)驗(yàn)值，這是因?yàn)樵陔姵貙?shí)際的充放電過(guò)程中，其生熱量會(huì)隨放熱時(shí)間增加；而在模擬時(shí)，電池生熱率被設(shè)為定值。圖2(b)為各電池單體的測(cè)點(diǎn)溫差值對(duì)比。圖中，仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各單體電池間溫差平均值相差小于0.5 K。經(jīng)分析可知，電池組表面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度值和溫差值的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化規(guī)律基本一致，說(shuō)明仿真結(jié)果準(zhǔn)確，本文建立的電池組風(fēng)冷散熱模型可靠。

圖2 電池組空氣散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果(本文)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果[6]對(duì)比

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算與網(wǎng)格數(shù)量直接相關(guān)，網(wǎng)格數(shù)量越多，計(jì)算所需要的時(shí)間就越長(zhǎng)。一般而言，當(dāng)模型的網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，數(shù)值計(jì)算的精度就不再增加或緩慢增加，因此需要在網(wǎng)格數(shù)量與計(jì)算精度間尋求平衡。本文為排除網(wǎng)格量對(duì)仿真結(jié)果的影響，對(duì)模型進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。圖3 為不同數(shù)量網(wǎng)格模型的求解結(jié)果。

由圖3 可知，不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果影響不大，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過(guò)74 萬(wàn)后，計(jì)算結(jié)果變化較小?？紤]到擾流板尺寸較小，為提高模擬效率，本文選擇230 萬(wàn)的體網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2.2 初始模型散熱效果分析

圖4 為初始模型(未加擾流板)的截面速度云圖。由圖可知，靠近出風(fēng)口一側(cè)的電池冷卻流道1～5 空氣流速較快，靠近進(jìn)氣口一側(cè)的流道7～11 空氣流速較慢，因此靠近進(jìn)口處電池產(chǎn)生的熱量難以被空氣帶走，從而導(dǎo)致流場(chǎng)前端電池尤其是電池8、9 的溫度明顯較后端電池溫度高，引起電池組溫度出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象。同時(shí)，在流場(chǎng)前端，流道間空氣流速不斷衰減，使得冷卻空氣自下而上的散熱能力逐漸減弱，造成電池6～10 出現(xiàn)頂部溫度較底部溫度高的現(xiàn)象；而在流場(chǎng)后端雖然電池間流速較高，但隨著空氣不斷與電池?fù)Q熱，溫度逐漸升高，導(dǎo)致了電池1～5 出現(xiàn)底部溫度較頂部溫度低的現(xiàn)象。因此，整個(gè)電池組的高溫區(qū)域聚集在前端頂部，低溫區(qū)域則聚集在后端底部。此時(shí)電池組的最高溫度Tmax為312.41 K，電池間最大溫差ΔT為12.42 K，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了電池放電的適宜溫度區(qū)間。

圖4 初始模型截面速度云圖

為了降低電池組最高溫度和溫差，本文在電池組冷卻流道下方添加了擾流板，以改變流場(chǎng)分布。

2.3 擾流板的數(shù)量和位置對(duì)電池組散熱性能的影響

為了簡(jiǎn)化研究過(guò)程，擾流板的傾斜角度α 和高度h分別設(shè)置為50°和5 mm，擾流板厚度設(shè)為0.5 mm，同時(shí)假設(shè)各單體電池在仿真模型中均加載體熱源值20 993 W/m3，并采用穩(wěn)態(tài)研究。由于擾流板數(shù)量和位置的不同，定義初始模型(無(wú)擾流板)編號(hào)為M0，定義不同的模型編號(hào)為Mn-x,y,z，其中M 表示模型，n表示擾流板數(shù)量，x、y、z分別表示擾流板位置。如M3-5,6,8表示3 塊擾流板分別位于電池5、6 和8 下方。

2.3.1 單擾流板對(duì)電池組散熱性能的影響

本節(jié)研究了單擾流板的不同安裝位置對(duì)空氣冷卻系統(tǒng)的影響。圖5(a)展示了電池組最高溫度和電池間的最大溫差隨擾流板安裝位置的變化曲線。圖中橫坐標(biāo)M1-1～M1-10分別表示單塊擾流板位于電池1～10 下方，M0表示原始模型即無(wú)擾流板的情況。由圖可知，隨著擾流板的安裝位置逐漸向空氣進(jìn)口靠近，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的最高溫度和最大溫差均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)，且均在擾流板位于電池7 下達(dá)到最低，此時(shí)電池組的Tmax為308.55 K，ΔT為8.70 K。相比于未安裝擾流板的情況，電池的最高溫度和最大溫差均有明顯的降低。圖5(b)為M0、M1-2、M1-7、M1-10的流道平均流速對(duì)比，當(dāng)擾流板在電池2 下時(shí)，擾流板比較靠近電池組的低溫區(qū)域，在該位置增加擾流板僅對(duì)電池組的低溫區(qū)域空氣流速產(chǎn)生一定的影響，而不能對(duì)電池組高溫區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。因此在擾流板位于電池1～3 下時(shí)，與初始模型相比電池的溫度未產(chǎn)生明顯的差別。隨著擾流板位置進(jìn)一步向空氣進(jìn)口處靠近，擾流板對(duì)電池組高溫區(qū)域產(chǎn)生的影響逐漸變大。在M1-7中流道1～6 的空氣平均流速低于初始模型，而流道7～11 中的空氣流速均高于初始模型，從而使得電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)電池組的散熱特性得到一定的改善。然而，當(dāng)擾流板位于電池10下時(shí)電池組的最高溫度和最大溫差反而較初始模型更高，這是由于在靠近空氣入口處安裝擾流板會(huì)對(duì)其后方電池間空氣流動(dòng)起到阻礙作用，導(dǎo)致其流道中的空氣流速大幅降低。

圖5 單擾流板在不同位置下的電池組最高溫度和電池間流道流速

以上研究表明將擾流板放在適當(dāng)?shù)奈恢每梢栽黾与姵叵鋬?nèi)流場(chǎng)的均勻性，從而改善電池組的散熱性能。同時(shí)，在電池1～3 下安裝擾流板對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的影響非常小，因此在下面的研究中，本文未對(duì)擾流板安裝于電池1、2 和3 下系統(tǒng)的散熱特性作進(jìn)一步研究。

2.3.2 雙擾流板對(duì)電池組散熱性能的影響

圖6 為雙擾流板在不同位置下的電池組溫度變化曲線，圖中橫坐標(biāo)縮略為兩塊擾流板各自的位置，如橫坐標(biāo)中4,5表示為擾流板分別安裝在電池4 和5 下。由圖6 可知，擾流板不同的位置和組合會(huì)對(duì)系統(tǒng)的冷卻性能產(chǎn)生較大的影響。對(duì)各模型進(jìn)行對(duì)比可知雙擾流板與單擾流板的冷卻結(jié)果較為相似，擾流板位于電池7 附近的組合所表現(xiàn)出的冷卻效果較好。其中M2-5,7的最高溫度為308.59 K，電池溫差為8.67 K，散熱性能最佳，相比于初始模型，電池組的Tmax降低了3.82 K，ΔT降低了3.75 K。模型M2-4,10、M2-5,10、M2-8,10和M2-9,10的最高溫度和最大溫差均要較初始模型高，這是由于在電池組進(jìn)氣口布置擾流板會(huì)在一定程度上降低尾部流場(chǎng)和擾流板后端流道的空氣速度，引起冷卻不均勻而導(dǎo)致的。

圖6 雙擾流板在不同位置下電池組的溫度變化曲線

由圖6 可知，在進(jìn)氣口附近即電池9 和電池10 下布置擾流板不僅沒有改善流場(chǎng)分布，使電池組的最高溫度和最大溫差降低，反而較未安裝擾流板時(shí)更高，導(dǎo)致電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻性能出現(xiàn)明顯的降低，因此在安裝三塊擾流板的研究中，本文未對(duì)空氣進(jìn)口附近鋪設(shè)擾流板的情況進(jìn)行討論。

2.3.3 三塊擾流板對(duì)電池組散熱性能的影響

圖7 為三塊擾流板在不同位置時(shí)電池組的溫度變化曲線，圖中橫坐標(biāo)縮略為三塊擾流板各自的位置，如橫坐標(biāo)中4,5,6 表示為擾流板分別安裝在電池4、5 和6 下方。圖7 中，模型M3-5,6,8的冷卻效果最好，此時(shí)電池組最高溫度為308.18 K，電池間溫差為8.25 K。模型M3-4,5,6和模型M3-4,7,8的冷卻性能相對(duì)較差，這是由于擾流板相距過(guò)近或者離空氣進(jìn)口較近使空氣流場(chǎng)分布均勻性變差導(dǎo)致的。

圖7 三擾流板在不同位置下電池組的溫度變化曲線

圖8 為模型M0、M3-4,5,6、M3-4,7,8、M3-5,6,8截面的速度云圖。由圖8(b)可知，當(dāng)擾流板全部集中于流場(chǎng)后端時(shí)，擾流板的安裝未對(duì)前端的空氣分布產(chǎn)生較大的影響。由圖8(c)可知，當(dāng)連續(xù)的兩塊擾流板位于流場(chǎng)中時(shí)，會(huì)使得其后方的2 塊電池間空氣流速顯著下降，進(jìn)而導(dǎo)致電池6 頂部產(chǎn)生高溫區(qū)域。當(dāng)擾流板被安裝在電池5、6、8 下方時(shí)，由圖8(d)可知此時(shí)電池組前端流道的空氣流速較初始模型有明顯增加，電池組中的氣流速度分布較其他模型更為均勻，但是流道7 和流道11 中仍存在低流速區(qū)域，這也導(dǎo)致電池5、6 和10 的頂部較電池組其他部分的溫度高。

圖8 三擾流板在不同位置下的截面速度云圖

2.4 擾流板傾斜角度對(duì)電池組散熱性能的影響

本節(jié)分析了擾流板的角度α 對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻性能的影響。設(shè)置α 范圍為20°～90°，間隔為10°。電池組的最高溫度和最大溫差隨擾流板安裝角度的變化曲線如圖9 所示。由圖可知，隨著擾流板傾斜角度的增加，電池組的最高溫度和最大溫差呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，當(dāng)α=40°時(shí)，達(dá)到最小值，此時(shí)電池組的Tmax為307.97K，ΔT為8.03 K，冷卻效果最好；與α=90°時(shí)相比，電池組最高溫度和最大溫差分別降低了0.78 和0.75 K。在下面的研究中，擾流板的傾斜角度均設(shè)置為40°。

圖9 不同傾斜角下電池組的溫度變化曲線

2.5 擾流板的高度優(yōu)化

本節(jié)中進(jìn)一步研究了擾流板高度對(duì)于電池組內(nèi)空氣流場(chǎng)的影響。通過(guò)2.3.3 節(jié)發(fā)現(xiàn)，冷卻性能最優(yōu)的模型中，電池組的高溫區(qū)域集中在電池5、6 和10 頂部，因此本節(jié)中在電池10 下方額外布置一個(gè)擾流板。根據(jù)前文研究結(jié)論，前擾流板的高度不應(yīng)較高，否則將對(duì)其后端冷卻流道的氣流速率產(chǎn)生較大影響，因此，擾流板10 和擾流板8 的高度設(shè)置為2～4 mm，步長(zhǎng)為1 mm。另外，由于前擾流板會(huì)對(duì)空氣流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻力，后擾流板的高度不應(yīng)設(shè)置得過(guò)低，因此擾流板6 的高度設(shè)置為3～9 mm，步長(zhǎng)為2 mm，擾流板5 的高度設(shè)置為5～9 mm，步長(zhǎng)為2 mm。擾流板的高度組合和仿真結(jié)果見表2中。

表2 擾流板在不同高度下的仿真結(jié)果

結(jié)果表明，模型8 即當(dāng)擾流板5、6、8、10 的高度分別為5、9、4 和2 mm 時(shí)的散熱系統(tǒng)冷卻性能最好，此時(shí)電池組流道1～5 流速較初始模型低，流道6～11 的空氣流速明顯高于初始模型，電池組的速度分布相比初始模型更加均勻。這說(shuō)明適當(dāng)調(diào)節(jié)擾流板的高度能較大地改善空氣冷卻電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻性能。優(yōu)化后的電池組較初始模型有更高的溫度均勻性，此時(shí)電池組的Tmax為306.37 K，ΔT為6.28 K，與原始模型相比，分別下降了6.04 和6.14 K(49.4%)。

2.6 擾流板長(zhǎng)度對(duì)電池組散熱性能的影響

本節(jié)研究了擾流板在不同長(zhǎng)度時(shí)對(duì)電池組溫度分布的影響，擾流板始終關(guān)于電池組x方向中心線對(duì)稱，其余布置采用與2.5 節(jié)相同的設(shè)定。圖10 為安裝不同長(zhǎng)度擾流板時(shí)的電池組溫度曲線。由圖可知，電池組的散熱量隨著擾流板長(zhǎng)度的增加而升高，與53 mm 長(zhǎng)的擾流板相比，安裝69 mm 擾流板時(shí)電池組的最高溫度降低了0.73 K，最大溫差下降了0.87 K，與初始模型相比，這一數(shù)值為6.24 K，極大地提高了電池組的溫度均勻性。這可能是因?yàn)殚L(zhǎng)擾流板對(duì)電池組內(nèi)空氣流動(dòng)的擾動(dòng)更大，從而更好地改善了氣流的速度分布。

圖10 電池組溫度隨擾流板長(zhǎng)度變化曲線

3 結(jié)論

本文基于Z 型電池組空氣冷卻熱管理系統(tǒng)，研究了在電池組中安裝擾流板對(duì)其冷卻性能的影響特性，得出了如下的結(jié)論：

(1)擾流板的數(shù)量和位置對(duì)空氣冷卻散熱系統(tǒng)的散熱性能有較大影響。當(dāng)擾流板位于進(jìn)氣口附近和尾端流場(chǎng)附近時(shí)，散熱系統(tǒng)性能相對(duì)較差。采用三個(gè)擾流板時(shí)，擾流板分別位于電池5、6、8 下的電池組可以實(shí)現(xiàn)最佳散熱效果。另外，隨著擾流板傾斜角度的增加，散熱系統(tǒng)的冷卻性能呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，當(dāng)傾斜角度為40°時(shí)，電池組的最高溫度與最大溫差均達(dá)到最小值。

(2)合適的擾流板高度可以增強(qiáng)散熱系統(tǒng)的冷卻性能。當(dāng)四個(gè)擾流板分別位于電池5、6、8、10 下且高度分別為5、9、4 和2 mm 時(shí)，電池組的最高溫度和最大溫差達(dá)到最低，分別為306.37 和6.28 K，相比于初始模型，其ΔT降低了49.4%。

(3)擾流板的長(zhǎng)度會(huì)影響風(fēng)冷系統(tǒng)的散熱性能，擾流板長(zhǎng)度越長(zhǎng)，系統(tǒng)散熱量越高，電池組溫度均勻性越好，相比于無(wú)擾流板結(jié)構(gòu)，帶長(zhǎng)擾流板的電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的最大溫差降低了50.23%。

在電池組中安裝擾流板，有效地提高了空氣冷卻式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能，本文可以為電池組風(fēng)冷散熱系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)參考。