基于CFD的電池散熱模型仿真和分析

張小帆，王 粵

（廣東技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510450）

電動汽車安全問題的研究離不開其使用的動力源電池包。電池包在運作的時候會產(chǎn)生大量的熱，熱會在電池包內(nèi)積累，隨著車輛的使用，電池包內(nèi)的部件會老化損傷，安全隱患極高，如何給電池包散熱就顯得非常重要。

風(fēng)冷散熱根據(jù)通風(fēng)的方式可以分為串行通風(fēng)和并行通風(fēng)。串行通風(fēng)所占的面積相對并行較小，但是在空氣經(jīng)過上游時已被電池加熱，當空氣流動到下游時其冷卻效果不如上游。而并行通風(fēng)能夠解決串行通風(fēng)散熱不均勻的問題。

在鋰離子電池組風(fēng)冷熱管理這一項研究上，已有眾多國內(nèi)外學(xué)者針對風(fēng)冷結(jié)構(gòu)的優(yōu)化進行過研究，MAHAMUD等[1]設(shè)計了循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，通過左右兩個閥門的開閉，來控制氣流的流向，以此形成往返氣流，避免了氣體溫度較大溫差。王世學(xué)等[2]使用 Fluent軟件研究了翅片對于強制風(fēng)冷系統(tǒng)散熱效果的影響，研究表明加入翅片后電池的最高溫度明顯降低，該結(jié)構(gòu)的散熱效果好。馬強[3]通過增加輔助散熱孔和氣體引流板使電池包內(nèi)的單體最大溫差可以控制在9.8 K以內(nèi)。許超等[4]對電池組實施了軸向送風(fēng)策略，他們對電池組的中間擋板的結(jié)構(gòu)進行改造，增大了通風(fēng)面積，降低了最高溫度。LIU等[5]建立壓力損失方程，研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)、電池單體間距對散熱效果的影響，在風(fēng)道外形上做出改進形成了波浪形電池組等。

通過對以上文獻的研究發(fā)現(xiàn)，增強散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力多是改變散熱結(jié)構(gòu)的本體或者增加散熱輔助部件，但在改變散熱結(jié)構(gòu)和增添輔助件的時候不僅要考慮散熱的性能，也要考慮散熱結(jié)構(gòu)的體積，體積越大，耗材也越多，重量也越大，不利于整車減重，所以本次散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化不僅會改變散熱結(jié)構(gòu)增加輔助件，還會考慮到整個散熱機構(gòu)的體積大小。

1 鋰離子電池各項參數(shù)的選定

1.1 鋰離子電池物理參數(shù)

仿真選用某品牌的磷酸鐵鋰方形軟包鋰離子電池，具體參數(shù)如表1所示。

表1 鋰離子電池參數(shù)

1.2 鋰離子電池?zé)嵛镄詤?shù)以及生熱速率

使用 Fluent仿真必須要知道鋰離子電池的各項熱物性參數(shù)和它的生熱速率熱物性參數(shù)，計算結(jié)果如表2所示。

表2 鋰離子熱物性參數(shù)

1）密度ρ：鋰離子電池的密度等于其總質(zhì)量與總體積之比，可由以下公式得出：

2）比熱容Cp：鋰離子電池比熱容可由以下公式計算得出：

式中，m為單體電池質(zhì)量；Ci和mi為電池內(nèi)部材料比熱容和質(zhì)量。

3）電池導(dǎo)熱系數(shù)：電池每個方向的導(dǎo)熱系數(shù)可以通過電路的等效電阻法計算出來[6]。X、Y、Z三個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)可由以下公式計算出：

式中，dxp、dxn、dxs分別為X方向上正極、負極以及隔膜的厚度；λp、λn、λs分別為電池正負極和隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)；l、b、h分別為電池在X、Y、Z方向的長度。

4）生熱速率計算可由以下公式[6]計算得出

式中，q為電池生熱功率；I為充充電時的電流大?。籈0為電池開路電壓；Et為負載電壓；T為電池平均溫度；Vb為電池核心生熱部分體積，本文取（0.369 36×10-3）m3；Rt為電池內(nèi)阻，本文取0.7 mΩ；(dU0)/dT為電池電壓隨溫度變化速率的溫度系數(shù)，取 0.5 V/K。根據(jù)式（6）計算的鋰離子電池在不同充電倍率下的生熱速率如表3所示。

表3 不同充電倍率下鋰離子電池生熱速率

2 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真

2.1 鋰離子電池模組模型

由表1的電池尺寸建立仿真所使用的電池模組為五個串聯(lián)的方形軟包電池，每個電池間的間隔為10 mm，電池模組三視圖和電池模組各結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，電池從左到右分別編號電池1、電池 2、電池 3、電池 4、電池 5。電池模組由電池本體，正極耳，負極耳和連接母排組成，在以下仿真中，電池1始終最接近進風(fēng)口。

圖1 電池模組結(jié)構(gòu)以及三視圖

2.2 仿真環(huán)境以及仿真設(shè)置

本文對串行風(fēng)道及并行風(fēng)道進行散熱分析，并與結(jié)構(gòu)改進后的風(fēng)道散熱性能進行對比。仿真實驗所設(shè)置的環(huán)境：初始環(huán)境溫度25 ℃，來流溫度25 ℃，進風(fēng)口速度2 m/s，電池充電倍率皆為1 C。仿真時所使用的湍流模型為sst k-omega，由于本次仿真研究的是自然對流下的換熱，所以電池表面的換熱系數(shù)設(shè)置為h=5 W/m2·K。

2.3 串行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)

串行通風(fēng)下的散熱結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了節(jié)省空間，散熱結(jié)構(gòu)盡量貼近電池模組，串行散熱結(jié)構(gòu)X方向總長為298 mm，Y方向總長為150 mm，Z方向總長為186 mm，電池模組本體各面與散熱結(jié)構(gòu)面的間距為30 mm，圖中箭頭方向為進風(fēng)方向，箭頭所指為進風(fēng)口。

圖2 串行散熱結(jié)構(gòu)

圖3為在Fluent進行設(shè)置仿真后，串行散熱結(jié)構(gòu)中鋰離子電池的溫度云圖，最低溫度為30.9 ℃，最高溫度為35.2 ℃，各電池溫度情況如圖3所示。由溫度云圖可以看出，電池的溫度越靠近進風(fēng)口處的越低，且電池組中部的溫度即電池2、電池3、電池4的溫度是最高的，在出風(fēng)口處電池5的溫度反而相對較低，經(jīng)過分析得出，由于在出口處會形成回流，所以電池 5作為最后一塊電池的溫度會有所下降。

圖3 串行散熱的溫度云圖

2.4 并行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)

并行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計可分為進口在下、出口在上和進口在上、出口在下兩種情況，圖4為并行通風(fēng)進口在上出口在下和并行通風(fēng)進風(fēng)口在下出口在上的主視圖。圖4(a)箭頭為進風(fēng)方向，所指為進風(fēng)口；圖4(b)箭頭為進風(fēng)方向，所指為進風(fēng)口。進出口的尺寸一致：長度為186 mm，寬度為100 mm，厚度為50 mm。

圖4 并行通風(fēng)兩種情況的主視圖

圖5為對Fluent進行設(shè)置仿真后鋰離子電池模組的生熱情況，最低溫度為30.7 ℃，最高溫度為34.2 ℃。

圖5 并行通風(fēng)進口在下的溫度云圖

現(xiàn)在將進出口上下顛倒，建立并行通風(fēng)進口在下出口在上的散熱結(jié)構(gòu)，并在 Fluent中設(shè)置仿真，其鋰離子電池組的溫度云圖如圖6所示。電池組的最高溫度為34.2 ℃，最低溫度為30.0 ℃。與串行通風(fēng)下電池組的溫度作比較可知并行通風(fēng)的冷卻效果比串行通風(fēng)的冷卻效果更優(yōu)。

圖6 并行通風(fēng)進口在上的溫度云圖

將串行通風(fēng)以及并行通風(fēng)進口在下和進口在上的兩種結(jié)構(gòu)內(nèi)鋰離子電池溫度分布列表比較，如表4所示。提取表4中電池組的最低溫度和最高溫度作圖7對比后可得出，并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)的散熱效果比串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)的散熱效果好，最高溫度的差值可達 1 ℃。在并行通風(fēng)兩種結(jié)構(gòu)互相對比后，可以得出并行通風(fēng)進口在下出口在上的散熱效果比進口在上出口在下的散熱效果好，雖然兩者電池組的最低溫度和最高溫度相近，但對比每個電池的溫度情況可以得出，并行通風(fēng)進口在下出口在上中電池單體的溫度要更低。根據(jù)本次比較，接下來將在散熱結(jié)構(gòu)為并行通風(fēng)且進口在下，出口在上的形式基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化。

圖7 串行與并行的電池組溫度對比

表4 串行和并行通風(fēng)兩種散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)鋰離子電池溫度最低、最高溫度對比 單位：℃

2.5 并行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.5.1 附加散熱孔

通過增加散熱結(jié)構(gòu)的散熱孔，可以增強散熱能力，以下將做出仿真驗證，增加散熱孔的并行通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)如圖8所示。在散熱結(jié)構(gòu)的左右兩側(cè)各增加四個散熱孔，散熱孔的尺寸：寬15 mm，長175 mm，每個散熱孔間的間隔為22.5 mm。

圖8 散熱孔結(jié)構(gòu)

修改完散熱結(jié)構(gòu)后，在 Fluent中進行仿真，鋰離子電池組的生熱情況如圖9所示。最高溫度為29.9 ℃，最高溫度為33.7 ℃，對比并行通風(fēng)未附加散熱孔的溫度：最低溫度30.0 ℃，最高溫度34.2 ℃，可得出增加散熱箜篌，散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力提高的結(jié)論。

圖9 增加輔助散熱孔后電池溫度情況

2.5.2 改變進風(fēng)口的角度

根據(jù)常國峰等[7]的研究，得知改變進風(fēng)口的角度可以改變散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力，下文將在 4°～14°的區(qū)間中抽出角度α為 4°、6°、8°、10°、12°、14°六個讀數(shù)的進風(fēng)口傾角進行仿真，如圖10所示，再對比散熱效果以及結(jié)構(gòu)體積后選用最佳的進風(fēng)口傾角。

圖10 改變傾斜角度進風(fēng)口三視圖

經(jīng)過Fluent仿真設(shè)置，導(dǎo)入CFD-Post中得出結(jié)果后，提取單個電池和電池組的最低最高溫度以及每個傾斜角度對應(yīng)的結(jié)構(gòu)高度如表5所示。

表5 不同進風(fēng)口角度的鋰離子電池最低、最高溫度對比以及散熱結(jié)構(gòu)的高度

從表5中對比電池組的最高溫度和最低溫度，可以得出，進風(fēng)口的傾斜度越大，散熱結(jié)構(gòu)的散熱能力越好，但是隨著傾斜度增大，散熱結(jié)構(gòu)的高度也會增加。對比高度可以得出高度在大于 8°后就開始增加，因為高度大于 8°之后散熱結(jié)構(gòu)右邊的底端被抬高，散熱結(jié)構(gòu)不再能夠?qū)㈦姵亟M包裹住，所以需要將散熱結(jié)構(gòu)的進風(fēng)口底端向下延伸，這樣就會使得散熱結(jié)構(gòu)的高度增加。高度增加會伴隨著材料的消耗以及散熱結(jié)構(gòu)占用的體積和重量增加。所以綜合考慮散熱能力以及散熱結(jié)構(gòu)的體積，最終選擇進風(fēng)口角度為8°的散熱結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

1）根據(jù)某品牌的方形軟包電池建立電池的三維模型，構(gòu)造了最基本的串行通風(fēng)風(fēng)道并在其基礎(chǔ)上優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，再通過 Fluent仿真求得散熱結(jié)構(gòu)內(nèi)電池的溫度分布情況。

2）改變散熱結(jié)構(gòu)的通風(fēng)方式從串行通風(fēng)到并行通風(fēng)，電池的溫度明顯下降，再在散熱機構(gòu)表面增加輔助散熱孔，也能達到優(yōu)化散熱性能的目的。最后研究比較了各傾斜角度的進風(fēng)口，綜合散熱效果和散熱機構(gòu)的體積占比選擇了傾斜角度為 8°的進風(fēng)口。最終優(yōu)化得出的散熱結(jié)構(gòu)為并行通風(fēng)，進風(fēng)口在下出風(fēng)口在上，帶有輔助散熱孔，進風(fēng)口傾斜角度為 8°的散熱結(jié)構(gòu)。得到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的電池組生熱情況為在1 C充電倍率下電池組最大溫差為3.9 ℃，最高溫度為33.7 ℃，最低溫度為29.8 ℃，比較最初的串行風(fēng)道整體溫度下降1.5 ℃左右。