李友才，賈振華，楊宗田

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池組散熱特性數(shù)值研究

李友才，賈振華，楊宗田

（河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

針對(duì)車(chē)用鋰離子動(dòng)力電池的散熱問(wèn)題，對(duì)電池組的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立鋰離子動(dòng)力電池三維模型，利用Fluent進(jìn)行數(shù)值仿真。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析得出：電池間距的增大和減小分別使電池組的散熱性能提高和降低，且其間距減小時(shí)，電池間溫度差異明顯；發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池組入口風(fēng)速升高，電池表面空氣流速相對(duì)提高，電池組換熱能力增強(qiáng)，但電池間流場(chǎng)的一致性變差、溫差變大。

鋰離子；動(dòng)力電池；數(shù)值計(jì)算；散熱特性

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-34-04

引言

日益嚴(yán)重的能源與環(huán)境壓力使傳統(tǒng)汽車(chē)的發(fā)展面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。開(kāi)發(fā)環(huán)保節(jié)能的電動(dòng)汽車(chē)(EV)已成為全球汽車(chē)企業(yè)的主要任務(wù)之一，電動(dòng)汽車(chē)必將成為未來(lái)汽車(chē)的重要發(fā)展方向之一。電池作為電動(dòng)汽車(chē)中的主要儲(chǔ)能元件，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行性能有直接的影響。對(duì)純電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，其充放電都是典型的化學(xué)過(guò)程，伴隨的反應(yīng)熱很容易使電池組內(nèi)部的溫差在100℃以上，如不及時(shí)散熱，對(duì)電池容量、電池可靠性、充放電效率和電池壽命都將產(chǎn)生十分不利的影響[1,2]。

研究表明，溫差為5℃、10℃ 和15℃時(shí)，相同充電條件下電池組的荷電狀態(tài)分別下降10%、15% 和20%。因此，研究電池組溫度場(chǎng)變化對(duì)保持電池組均衡化和一致性有著至關(guān)重要的作用。采用CFD的方法對(duì)動(dòng)力電池組散熱結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)狀態(tài)和溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以此來(lái)優(yōu)化動(dòng)力電池組的散熱結(jié)構(gòu)及提高其散熱效率[3-5]。

1、建立動(dòng)力電池組模型

1.1 幾何模型與簡(jiǎn)化

動(dòng)力電池箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為節(jié)約計(jì)算資源，提高運(yùn)算

速度，在保證能真實(shí)反映動(dòng)力電池箱內(nèi)部流場(chǎng)的前提下，對(duì)動(dòng)力電池模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化（省去加強(qiáng)筋、導(dǎo)線、保險(xiǎn)絲、支架及連接件等）。本研究中采用的是某公司生產(chǎn)的LiFeO4電池，單體電池的長(zhǎng)度為179mm，寬度為96mm，厚度為19mm。電池組由兩個(gè)電池模塊串聯(lián)而成，其模型如圖1所示[6]。

假設(shè)電池內(nèi)部所有的組成部分(如隔板、正極、負(fù)極和活性物質(zhì)等)為各向同性的固體，內(nèi)部熱源通過(guò)熱傳導(dǎo)，在電池殼體表面與外部流動(dòng)的冷卻空氣進(jìn)行熱交換，從而降低電池自身的溫度。

1.2 控制方程與湍流模型

(1)有內(nèi)熱源的固體導(dǎo)熱控制方程

式中：T為溫度；λ為熱導(dǎo)率；c為比熱容；Q為固體內(nèi)部生成熱。

（2）流體控制方程

式中：φ為通用變量；г為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)；u為速度矢量。

因動(dòng)力電池組內(nèi)部流動(dòng)狀況復(fù)雜，在電池的前部和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的部位為層流；在電池尾部的部分區(qū)域和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的區(qū)域?yàn)橥牧鳌＿m合采使用低雷諾數(shù)湍流模型，對(duì)解決低速低雷諾數(shù)下的流動(dòng)問(wèn)題有著很好的適應(yīng)性[7]。本文數(shù)值計(jì)算采用的湍流模型為低雷諾數(shù)湍流模型， k和ε的輸運(yùn)方程為：

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；k為 湍動(dòng)能；ε為耗散率；u為與壁面平行的流速；n為壁面法向坐標(biāo)；tμ為湍動(dòng)粘度；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；

1.3 網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定

利用ANSYS ICEM軟件對(duì)動(dòng)力電池組模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流動(dòng)參數(shù)變化梯度較大的區(qū)域和電池模塊周?chē)捎幂^密的網(wǎng)格。采用以四面體為主的混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為236.2萬(wàn)。

本文采用的單體電池額定電壓為3.2V，額定容量為40A·h[4]。入口邊界條件選擇為速度人口，出口邊界條件為壓力出口，環(huán)境溫度300K。壁面設(shè)置為無(wú)滑移絕熱壁面邊界條件。采用基于壓力的Simple算法，2階迎風(fēng)格式。

2、計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 電池間距對(duì)電池組散熱性能的影響

改變單體電池的縱向間距(沿x軸方向)，取電池間距為3mm、6mm、12mm、18mm，動(dòng)力電池溫度(取12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))與其間距的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，隨著電池間距增大，電池間的通風(fēng)量增加，動(dòng)力電池的散熱性能提高，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度降低較多；當(dāng)電池間的間距較小時(shí)，空氣在電池間的流動(dòng)阻力較大，在電池兩側(cè)的流動(dòng)阻力相對(duì)較小，導(dǎo)致絕大部分氣流流經(jīng)電池兩側(cè)，只有很小一部分氣流從電池正面流過(guò)。故外側(cè)電池的溫度較低，中間區(qū)域的電池溫度較高。且當(dāng)電池間距較小時(shí)，電池組溫度差異明顯。

2.2 電池不同溫度對(duì)電池組散熱性能的影響

假定動(dòng)力電池在某個(gè)工況下，其單體電池工作溫度為313K和323K，其動(dòng)力電池組溫度場(chǎng)圖如圖3所示。當(dāng)單體電池工作溫度設(shè)定313K時(shí)，動(dòng)力電池的最高溫度為T(mén)=304.2K，最低溫度T=300K；當(dāng)單體電池工作溫度設(shè)定323K時(shí)，動(dòng)力電池的最高溫度為T(mén)=307.4K，最低溫度T=300K。對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池來(lái)說(shuō)降溫明顯，最大降溫15.6K，且電池間的溫差低于7.4K。入口的溫度接近環(huán)境溫度，靠近出口一側(cè)的溫度較高。主要由于空氣從電池組入口進(jìn)入，在流動(dòng)的過(guò)程中，不斷被加熱，從而導(dǎo)致動(dòng)力電池組在出口側(cè)的溫度較高。

由文獻(xiàn)[3]可知，動(dòng)力電池組各個(gè)單體電池的溫差大小對(duì)其荷電狀態(tài)有重要的影響，因此，由動(dòng)力電池控制器（ECU）對(duì)單體電池的最高溫度和電池間的溫差進(jìn)行監(jiān)控。一旦單體電池的最高溫度或電池間的溫差超過(guò)ECU程序所設(shè)定的值，ECU即刻發(fā)出指令調(diào)節(jié)電池的放電電流，控制電池產(chǎn)生的熱量，從而調(diào)節(jié)動(dòng)力電池的溫度；若此時(shí)電動(dòng)汽車(chē)加速或爬坡，需求更大的功率，控制器即刻發(fā)出指令，使風(fēng)扇以更高的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)來(lái)給動(dòng)力電池散熱，或者提高發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷來(lái)滿足功率的需求。

2.3 不同風(fēng)速對(duì)電池組散熱性能的影響

若動(dòng)力電池入口速度足夠大，即使電池組內(nèi)的空氣流速不均勻，也能把電池產(chǎn)生的熱量全部散出，并且使電池的最高溫度和電池間的溫差降到最低。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于動(dòng)力電池入口速度越高，對(duì)其的管理系統(tǒng)提出的要求就越高，同時(shí)會(huì)增加系統(tǒng)的能耗和噪聲，所以動(dòng)力電池的入口速度受到一定的限制。圖4為動(dòng)力電池入口速度為10m/s、30m/s時(shí)的流場(chǎng)云圖。由圖4可知，入口速度升高，電池組內(nèi)各電池表面空氣流速都相對(duì)提高，且電池組的換熱能力增強(qiáng)。但在X軸方向上，每塊電池周?chē)目諝饬魉僭隽坎⒉幌嗤?，這就增加了電池之間空氣流場(chǎng)的不一致性。動(dòng)力電池入口處空氣的流速低，而其出口處的空氣流速高。但圖4(b)中流場(chǎng)的一致性要比圖4(a)差，這主要由于速度升高所致，且這種不一致性會(huì)隨著速度的升高而越發(fā)明顯。所以，單純通過(guò)提高動(dòng)力電池入口速度是可以降低電池的溫度，但電池組內(nèi)流場(chǎng)的一致性變差，即電池間的溫差變大。

3、結(jié)論

(1)電池間距的大小對(duì)電池組散熱特性有明顯的影響。電池間距變大，電池間的通風(fēng)量增加，動(dòng)力電池組的散熱性能提高；電池間的間距變小，空氣在電池間的流動(dòng)阻力較大，外側(cè)電池的溫度較低，中間區(qū)域的電池溫度較高，且電池間距較小時(shí)，溫度差異相當(dāng)明顯。

(2)動(dòng)力電池組入口一側(cè)的溫度接近環(huán)境溫度，靠近出口一側(cè)的溫度較高。利用動(dòng)力電池控制器可將電池的最高溫度和電池間的溫差控制在合理范圍內(nèi)。

(3)入口速度升高后，各電池表面空氣流速都相對(duì)提高，動(dòng)力電池的換熱能力增強(qiáng)。但電池間的空氣流場(chǎng)一致性變差，且電池間的溫差變大。

[1] 楊亞聯(lián)，張昕，李隆鍵，等.混合動(dòng)力汽車(chē)用鎳氫電池的散熱結(jié)構(gòu)分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009.32(4):415-419.[2] 楊志剛，黃慎，趙蘭萍.電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2011，20(3):1-5.

[3] 常國(guó)峰，陳磊濤，許思傳，等.鎳氫電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，37(11): 1518-1520.

[4] 戴海峰，黨豐玲，朱維，等. 插電式燃料電池車(chē)鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，40(4):589-595.

[5] 王東，李昌盛，楊志剛.鋰離子動(dòng)力電池包CFD仿真[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2012，21(6):1-5.

[6] 朱聰，呂江毅，李興虎，等.方形鋰離子電池組熱模型[J].汽車(chē)工程，2012，34(4):339-344.

[7] 蔡飛龍，許思傳，常國(guó)峰.純電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池?zé)峁芾砭C述[J].電源技術(shù)，2012，36(9):1410-1413.

[8] X.Duan，G.F.Naterer. Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，20:5176-5182.

[9] Riza Kizilel,Rami Sabbaha,J. Robert Selmana,et al., An alternative cooling system to enhance the safety of Li-ion battery packs[J]. Journal of Power Sources,2009,194:1105-1112.

The Numerical Study on the Transfer Performance of Lithium-ion Power Battery for Automobile

Li Youcai, Jia Zhenhua, Yang Zongtian
（School of Mechanical & Electrical Engineering Henan University of Technology, Henan Zhengzhou 450007）

As to the heat dissipation issues lithium-ion power battery for vehicles,the structure of the battery pack is optimized. Building lithium-ion battery three dimensional model and simulating by fluent software. The comparison and analysis on simulation results show that the battery space of the battery pack is increased and decreased, respectively, the thermal performance of battery pack is raised and fallen. Moreover,the space is reduced,the temperature difference among batteries is obvious.Air velocity is increased on the surface of battery and the heat exchange capacity of the battery pack is raised when the inlet velocity of battery pack rises.However,the consistency of the flow field between the batteries become bad, the temperature difference becomes larger.

Lithium-ion; Power Battery; Numerical calculation; Transfer performance

U463.6

A

1671-7988(2014)09-34-04

李友才，博士，講師，主要研究方向?yàn)樾履茉葱聞?dòng)力。

河南工業(yè)大學(xué)高層次人才基金項(xiàng)目資助（2010BS054）。