白帆飛，陳明彪，宋文吉?，馮自平

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

鋰離子電池組風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化*

白帆飛1，2，3，4，陳明彪1，2，3，宋文吉1，2，3?，馮自平1，2，3

（1. 中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

本文運(yùn)用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)電池組風(fēng)冷結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案，研究電池組間距遞減幅度、上集流板傾斜角度、下集流板傾斜角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對電池組溫度場、流場以及進(jìn)出口壓差的影響，確定了電池組最優(yōu)結(jié)構(gòu)：間距遞減幅度0.3 mm、上集流板傾斜0°、下集流板傾斜5°；運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和仿真的方法，研究具有最優(yōu)結(jié)構(gòu)的電池組分別在0.5 C、1 C、2 C倍率放電過程的溫度變化特性，電池組的最高溫度及溫度場一致性均能滿足要求。

鋰離子電池組；風(fēng)冷結(jié)構(gòu)；正交試驗(yàn)；數(shù)值模擬

0 引 言

鋰離子電池組的最高溫度、溫度場的均勻性是電池組熱管理系統(tǒng)的重要評價(jià)指標(biāo)［1］。電池組采用強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，空氣進(jìn)出口壓差反映了電池組內(nèi)部的阻力大小，決定了風(fēng)機(jī)的功率需求。為保證電池組正常輸出功率，延長循環(huán)壽命，同時(shí)降低風(fēng)機(jī)能耗，應(yīng)綜合考慮電池組內(nèi)風(fēng)道寬度、上下集流板傾斜角度等結(jié)構(gòu)因素對溫度場、壓力場的影響［2-5］。

本文利用正交試驗(yàn)法對電池組內(nèi)風(fēng)道寬度（即電池組間距）、上集流板傾斜角度、下集流板傾斜角度這三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化配組，采用直觀分析法以電池組最高溫度、模塊間最大溫差和進(jìn)出口壓差為評價(jià)指標(biāo)對各結(jié)構(gòu)參數(shù)的作用規(guī)律進(jìn)行分析。

1 電池組的參數(shù)選擇及正交表設(shè)計(jì)

研究采用的單體電池為鋁塑膜外包方形LiFePO4/C動(dòng)力電池，額定電壓3.2 V，額定容量20 A·h，尺寸170 mm×7 mm×230 mm，質(zhì)量為0.545 kg，電池的其他參數(shù)如表1所示。

表1 鋰離子電池參數(shù)Table 1 Parameters of lithium-ion battery

如圖1，鋰離子電池組由12個(gè)串聯(lián)的電池模塊依次排列組成，每個(gè)電池模塊由兩個(gè)緊貼的電池單體并聯(lián)而成，電池組的電壓為 38.4 V，容量為40 A·h。電池組內(nèi)模塊平均間距為5 mm，出入口均為50 mm×170 mm的矩形，電池組外觀尺寸330 mm×233 mm×170 mm。電池組采用并行通風(fēng)、強(qiáng)制風(fēng)冷的形式，以更好地控制電池的溫升并保持電池組溫度分布的均勻性。為使冷卻風(fēng)機(jī)不工作時(shí)鋰離子電池組仍能短時(shí)間利用自然對流換熱，冷卻空氣采用由下往上的流向［6］。

圖1 鋰離子電池組結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of the experimental lithium-ion battery pack

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法，是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，是一種高效率、快速、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法［7］。正交設(shè)計(jì)中，實(shí)驗(yàn)變量稱為因素，各因素的取值稱為水平。本文選擇電池組間距的遞減幅度ΔL、上集流板傾斜角度θu、下集流板傾斜角度θl三個(gè)參數(shù)為因素，每個(gè)因素取3個(gè)水平，具體見表2。

表2 因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

由于各因素之間無交互作用，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為No.1～No.9，采用FLUENT軟件仿真計(jì)算。

冷卻空氣在電池組內(nèi)部流動(dòng)過程中涉及分流、轉(zhuǎn)彎、匯合等復(fù)雜過程，流場脈動(dòng)以及在換熱表面的分離不可避免，更接近于湍流，因此仿真求解選用k-ε湍流模型。入口空氣速度3 m·s-1，溫度300 K；壓力出口，0 Pa，溫度300 K；電池與空氣接觸面流-固耦合，無滑移；電池組外殼絕熱。電池單體以2 C倍率放電時(shí)生熱速率為61 045 W·m-3?？疾旄鞣N參數(shù)的作用規(guī)律時(shí)可不考慮時(shí)間影響，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算求解器，求得不同結(jié)構(gòu)電池組最高溫度 Tmax、模塊間最大溫差ΔTmax和進(jìn)出口壓差Δp。仿真計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment design and simulation results

2 正交分析及優(yōu)化

表2中ΔL的水平I、II、III分別出現(xiàn)在三組試驗(yàn)No.1～No.3、No.4～No.6、No.7～No.9中。記9次試驗(yàn)得到的各項(xiàng)指標(biāo)值依次為y1～y9，取水平I、II、III的平均值：k1=（y1+ y2+ y3）/3，k2=（y4+ y5+ y6）/3，k3=（y7+ y8+ y9）/3。令R=max｛k1，k2，k3｝ - min｛k1，k2，k3｝，R即為極差。因?yàn)樵谌M試驗(yàn)No.1～No.3、No.4～No.6、No.7～No.9中，θu和θl的三個(gè)水平各出現(xiàn)一次，所以這種變動(dòng)是平等的，因此可以認(rèn)為R是由于ΔL的水平變動(dòng)引起的［8］。極差R反映了各因素水平變動(dòng)對試驗(yàn)結(jié)果影響的大小，極差越大表示該因素的水平變化對試驗(yàn)結(jié)果影響越大。表4列出了三個(gè)評價(jià)指標(biāo) Tmax、ΔTmax、Δp所對應(yīng)的不同因素的極差。各因素對評價(jià)指標(biāo)的影響趨勢如圖2。

表4 極差分析Table 4 Range analysis data

圖2 Tmax、ΔTmax和Δp的平均值Fig. 2 Average of Tmax，ΔTmaxand Δp for each factor

2.1 各因素對溫度場、壓力場的影響

由圖2可知，ΔL值的上升會(huì)導(dǎo)致 Tmax、ΔTmax的顯著下降，但對Δp影響較小。這是由于，ΔL的上升增加了空氣上游流道截面積、減小了空氣下游流道截面積，有助于平衡各流道內(nèi)空氣的流量，能夠有效抑制最高溫度和模塊間的溫差［9］。如圖 3所示，ΔL=0.3 mm時(shí)，各流道內(nèi)工質(zhì)流量更為均勻。

上集流板傾斜角度 θu值的增加會(huì)導(dǎo)致 Tmax、ΔTmax和Δp的上升，且影響較大。這是由于集流板傾斜角度越小，冷卻空氣在電池組內(nèi)的阻力越大，增加了湍流程度，有助于提高換熱系數(shù)，降低電池組內(nèi)最高溫度，同時(shí)平衡了各流道出口處的壓強(qiáng)，如圖4所示。

圖3 不同ΔL下的流道內(nèi)工質(zhì)體積流量Fig. 3 Volume flow of working medium in each flow channel under different ΔL

圖4 不同θu下的流道進(jìn)出口壓差Fig. 4 Pressure drop of each flow channel under different θu

下集流板傾斜角度 θl的增大會(huì)導(dǎo)致 Tmax和ΔTmax下降，圖5顯示θl的增大有效提高了下游流道入口處的風(fēng)速，平均流速的上升有利于增大換熱系數(shù)，提高換熱效率。但較高的風(fēng)速也會(huì)增大湍流程度，從而增大Δp，如圖2c所示。

圖5 不同θl下的流道入口風(fēng)速Fig. 5 Inlet velocity of each flow channel under different θl

2.2 最優(yōu)結(jié)構(gòu)篩選

2.2.1 以Tmax為指標(biāo)

表4中Rθu＞RΔL＞Rθl，因此θu的水平對試驗(yàn)結(jié)果影響最大，應(yīng)優(yōu)先考慮，ΔL次之，θl再次之。

對于θu，k1＜k2＜k3，說明θu的增大會(huì)提升最高溫度Tmax，因此水平I最優(yōu)。對于ΔL，k1＞k2＞k3，說明隨著間距遞減值的增大，最高溫度下降，水平III最優(yōu)。對于θl，k1＞k2＞k3，說明下集流板傾斜角度θl的增大有利于抑制最高溫度Tmax，水平III最優(yōu)。

因此，以最高溫度 Tmax為指標(biāo)，表 3中 No.7（AIIIBICIII）是最優(yōu)組合，其最高溫度Tmax最小。

2.2.2 以ΔTmax為指標(biāo)

表4中Rθu＞RΔL＞Rθl，即θu的水平變化對溫度的均勻性影響最大。

與最高溫度Tmax的情況相似，θu的增大、θl的增大、ΔL的減小，都可以減小ΔTmax的值，即有助于提高電池組溫度分布的均勻性。因此，以最高溫度差ΔTmax為指標(biāo)。表3中No.7（AIIIBICIII）是最優(yōu)組合，電池組均勻性最好，其最高溫度差ΔTmax最小。

2.2.3 以Δp為指標(biāo)

表4中Rθu＞Rθl＞RΔL，這表明ΔL的水平變動(dòng)對進(jìn)出口壓力差影響最小。隨著θu和θl的增大，進(jìn)出口壓力差Δp均呈上升趨勢。

因此，為降低電池組的最高溫度 Tmax、降低模塊間最大溫差ΔTmax，應(yīng)采用較大的ΔL、θl和較小的θu，表3中No.7（AIIIBICIII）是最優(yōu)組合，其最高溫度Tmax、最高溫度差ΔTmax最小。

當(dāng)以進(jìn)出口壓力差Δp為指標(biāo)時(shí)，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為AIIBICI（ΔL=0.2 mm，θu=0°，θl=0°）。由于該組合不在表3中，另對該結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算：Tmax=332.7 K，ΔTmax=5.2 K，Δp=20.4 Pa。進(jìn)出口壓力差 Δp確實(shí)略低于表 3的所有結(jié)果，但該結(jié)構(gòu)ΔTmax＞5 K，溫度均勻性較差，No.7（AIIIBICIII）仍為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

2.3 進(jìn)一步優(yōu)化

由2.1節(jié)分析可知：較小的θu和較大的θl有利于降低電池組的最高溫度、提高溫度場均勻性。為了進(jìn)一步探討θu和θl的影響規(guī)律，另作因素設(shè)置，如表 5。同樣方法做正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，仿真計(jì)算。各因素對評價(jià)指標(biāo)的影響趨勢如圖6所示。

表5 因素水平表Table 5 Factors and levels of orthogonal experiment

圖6 Tmax、ΔTmax和Δp的平均值Fig. 6 Average of Tmax，ΔTmaxand Δp for each factor

圖6 a中ΔL的水平改變對Tmax影響最大，作用規(guī)律與圖2一致，水平III′最優(yōu)。θl的減小仍顯示了對降低 Tmax的有利影響，水平 III′最優(yōu)。θu的增加會(huì)導(dǎo)致Tmax先減小后增大，這種影響較小，水平II′最優(yōu)。

圖6b中ΔL、θu、θl三個(gè)因素分別對ΔTmax的作用規(guī)律與對Tmax的作用規(guī)律一致。

圖6c中ΔL的增大會(huì)降低進(jìn)出口壓力差Δp，水平III′最優(yōu)。而θu、θl均為水平I′最優(yōu)。

綜上分析，得到基于溫度的最優(yōu)結(jié)構(gòu)X和基于壓力的最優(yōu)結(jié)構(gòu)Y：

結(jié)構(gòu)X：ΔL=0.3 mm，θu=2.5°，θl=11°；

結(jié)構(gòu)Y：ΔL=0.3 mm，θu=0°，θl=5°。

對結(jié)構(gòu)X、Y建模計(jì)算，除了ΔL、θu、θl外，其他設(shè)置均不變，結(jié)果見表6。

表6 結(jié)構(gòu)X、Y仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of structure X and Y

結(jié)構(gòu) X的 Tmax、ΔTmax分別比表 3中 No.7（AIIIBICIII）降低了0.1 K、0.12 K，降幅較小，但Δp上升了1.2 Pa。由圖6可知，θu的變化、θl由10°增加到11°對Tmax、ΔTmax影響均較小，但θu和θl的增大引起了Δp較大的增長。

與表3中No.7（AIIIBICIII）相比，結(jié)構(gòu)Y的Tmax和 ΔTmax雖有所上升，但最高溫度和電池組溫度均勻性可以滿足要求，同時(shí)Δp下降到了20.6 Pa，能耗最低。

綜上分析，結(jié)構(gòu)Y為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，即：間距遞減幅度0.3 mm，上集流板傾斜0°，下集流板傾斜5°。對最優(yōu)結(jié)構(gòu)的電池組進(jìn)行2 C放電穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，圖7給出了對稱面溫度云圖。

圖7 電池組對稱面溫度云圖Fig. 7 Temperature field cloud picture of battery pack symmetry plane

3 電池組放電仿真與實(shí)驗(yàn)對比

電池模塊由空氣入口附近往后依次編號(hào)1～12。電池組分別采用0.5 C、1 C、2 C倍率放電，生熱速率如表1所示，冷卻風(fēng)速分別采用1 m·s-1、1.2 m·s-1和3 m·s-1。實(shí)驗(yàn)中電池組的測溫點(diǎn)與數(shù)值模擬的取溫點(diǎn)位置相同，選取各電池模塊靠近空氣入口側(cè)的表面的中心點(diǎn)。

仿真結(jié)果顯示，放電結(jié)束時(shí)，各電池模塊表面中心溫度的仿真值與實(shí)驗(yàn)值的趨勢一致，如圖8所示，各電池模塊表面溫度均勻性較好。

圖8 放電結(jié)束時(shí)各電池模塊表面中心溫度Fig. 8 Surface center temperature of each battery module at the end of discharge

2 C放電結(jié)束時(shí)，電池組內(nèi)模塊最高溫度為312.36 K，在鋰離子電池最佳工作溫度范圍；不同模塊最高溫度最大相差0.95 K，能滿足電池組溫度一致性要求。

圖9顯示了放電過程中模塊2的表面中心溫度變化曲線，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。在放電初期，實(shí)驗(yàn)值低于仿真值，后期實(shí)驗(yàn)值較高，主要是由于仿真過程未考慮電池生熱速率變化對電池溫度分布的影響［10］。恒倍率放電時(shí)電池各區(qū)域生熱速率不斷變化，放電前期電極附近區(qū)域生熱速率大于其他區(qū)域；放電后期電極遠(yuǎn)端區(qū)域生熱速率最大［11］。整個(gè)電池模塊前期生熱速率較小，后期由于溫度的上升引起內(nèi)阻增大，不可逆熱增加，生熱速率不斷上升。放電結(jié)束后，電池溫度仍會(huì)繼續(xù)上升一段時(shí)間。

圖9 放電過程中模塊2的表面中心溫度變化曲線Fig. 9 Surface center temperature of module 2 in the process of discharge

4 總 結(jié)

運(yùn)用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)電池組散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)方案，研究電池組間距遞減幅度、上下集流板傾斜角度變化。電池組間距遞減幅度的增大有利于抑制電池組的溫升、提高溫度均勻性，同時(shí)有利于降低進(jìn)出口壓差；上集流板傾斜角度的增大不利于控制溫度場、進(jìn)出口壓差；增大下集流板傾斜角度對控制溫度場有利，但會(huì)提高進(jìn)出口壓差。綜合溫度場、進(jìn)出口壓差因素，確定了電池組最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：間距以0.3 mm遞減，上集流板傾斜0°，下集流板傾斜5°。

根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)研究和仿真了0.5 C、1 C、2 C恒倍率放電工況下電池組的溫度變化，結(jié)果基本吻合，電池組最高溫度在最佳工作范圍內(nèi)，溫度均勻性較好。研究中還存在一些不足：沒有考慮鋰離子電池?zé)嵛镄缘臏囟纫蕾囆?；采用均一化電池生熱模型，未考慮不同區(qū)域生熱速率隨時(shí)間變化的影響。這些都有待進(jìn)一步研究。

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Design and Optimization of Air-Cooled Structure for Lithium-Ion Battery Pack

BAI Fan-fei1，2，3，4，CHEN Ming-biao1，2，3，SONG Wen-ji1，2，3，F(xiàn)ENG Zi-ping1，2，3
（1. Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；2. Key Laboratory of Renewable Energy，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510640，China；3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development，Guangzhou 510640，China；4. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Optimizing scheme of the air-cooled battery pack structure was designed by using the orthogonal test. The effects of the battery pack’s space decline range and the inclination angles of upper and lower deflectors on its temperature field，flow field and pressure drop were studied numerically. The optimal structure of the battery pack was determined: the space decline range is 0.3 mm，the angle of the upper deflector of 0° and the angle of the lower deflector is 5°. Temperature characteristics of the battery pack of such optimal structure were then investigated experimentally and numerically at discharging rates of 0.5 C，1 C and 2 C，respectively. The results show that both the maximum temperature and the temperature field uniformity of the battery pack can meet the requirements.

lithium-ion battery；air-cooled structure；orthogonal experiment；numerical simulation

TK02；TM912.2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2016.05.004

2095-560X（2016）05-0358-06

白帆飛（1989-），男，碩士研究生，主要從事儲(chǔ)電系統(tǒng)熱管理控制研究。

陳明彪（1985-），男，助理研究員，主要從事大規(guī)模儲(chǔ)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究。

宋文吉（1978-），男，博士，副研究員，主要從事大規(guī)模儲(chǔ)電系統(tǒng)及其控制技術(shù)研究。

馮自平（1968-），男，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究。

2016-05-12

2016-06-11

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B010128001，2015B050501008）；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（201509010018）；中國科學(xué)院廣州能源研究所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金（Y607ji1001）

? 通信作者：宋文吉，E-mail：songwj@ms.giec.ac.cn