劉 研， 谷 風(fēng)， 陳 承

(1. 吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130025； 2. 吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院， 吉林 長春 130025)

動(dòng)力電池系統(tǒng)作為混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要能量來源，其性能受溫度影響較大.電池模組溫度過高、過低甚至溫度不均勻都會(huì)影響電池的壽命、容量及一致性.因此，電池模組采用串行通風(fēng)和并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻，以提高其性能.

對(duì)于串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整風(fēng)側(cè)流動(dòng)狀態(tài)可以改善換熱效果.秦大同等[1]在原有電池模組的進(jìn)風(fēng)口區(qū)域加一個(gè)濾網(wǎng)以調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)流量和流速.Mohammadian等[2]通過在流道內(nèi)添加釘狀翅片來增加空氣的行程，提高空氣利用率；之后，又在空氣流道中添加多孔材料泡沫鋁，并對(duì)泡沫鋁所占流道長度的4種情況進(jìn)行了對(duì)比.Xun等[3]發(fā)現(xiàn)，增大流道尺寸可以提高冷卻效率但不利于溫度分布的均勻性.樓英鶯[4]對(duì)電池模組流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將電池模組流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成了梅花形和波浪形，并用仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析.

眾多學(xué)者研究電池模組整體結(jié)構(gòu)的串行通風(fēng).Park等[5]對(duì)串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)的電池排列形式、電池間距進(jìn)行研究，結(jié)果表明扁平式電池小間距排列時(shí)所需風(fēng)量最小，耗能最少.Mahamud等[6]提出了一種往復(fù)流冷卻結(jié)構(gòu)，避免了由單向進(jìn)風(fēng)造成的靠近入口處電池溫度低、遠(yuǎn)離入口處電池溫度高的問題，改善了電池模組的溫度一致性.Lin等[7]在Mahamud等[6]的基礎(chǔ)上對(duì)往復(fù)通風(fēng)主動(dòng)控制進(jìn)行進(jìn)一步研究，制定了控制策略并進(jìn)行了驗(yàn)證.Wang等[8]研究了風(fēng)扇位置、電池排列形式、電池間距等因素對(duì)空氣冷卻的影響，并通過仿真分析得到了最優(yōu)組合.

上述都是針對(duì)串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，另有一些學(xué)者對(duì)電池模組并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。陳曦云等[9]使用空氣放大器將壓縮空氣作為冷卻介質(zhì)對(duì)電池模組冷卻.常國峰等[10]研究了進(jìn)風(fēng)角度和進(jìn)風(fēng)形式等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)均勻進(jìn)風(fēng)的影響.Fan等[11]研究了電池間距和入口流量對(duì)并行通風(fēng)冷卻效果的影響.Park[12]通過數(shù)值模擬研究了不同進(jìn)出風(fēng)口位置對(duì)電池模組溫度的影響，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出口非同側(cè)時(shí)散熱效果較好.Karimi等[13]分別使用空氣、硅油和水3種介質(zhì)對(duì)電池模組進(jìn)行冷卻，通過改變進(jìn)出口位置找到溫度場和流場的最優(yōu)結(jié)構(gòu).Liu等[14]建立了壓力損失方程，提出一種適用于并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)的快捷計(jì)算方法，并利用此方法研究了流道結(jié)構(gòu)、電池間距對(duì)電池溫度的影響.

基于并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，研究了楔形、梯形和圓孔擋板3種進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)的進(jìn)風(fēng)效果，并對(duì)有均勻進(jìn)風(fēng)效果的圓孔擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了平行冷卻與垂直冷卻2種冷卻方式.最后,通過仿真分析實(shí)現(xiàn)了通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化.

1 原電池模組仿真分析

本文研究的混合動(dòng)力重型車的動(dòng)力電池為方形磷酸鐵鋰離子電池.電池箱散熱結(jié)構(gòu)采用的是傳統(tǒng)并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，底部平直進(jìn)風(fēng)，電池模組之間流道相互獨(dú)立.原電池模組實(shí)物結(jié)構(gòu)及簡化結(jié)構(gòu)如圖1所示.

a 實(shí)物結(jié)構(gòu)

b 簡化結(jié)構(gòu)圖1 原電池箱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of original battery box

1.1 數(shù)值計(jì)算模型

由于電池本身材料的多樣性及電池充放電過程的復(fù)雜性，數(shù)值模擬時(shí)作出以下假設(shè)：

(1) 電池各層材質(zhì)均勻，熱物性參數(shù)不隨電池溫度和荷電狀態(tài)的改變而變化.

(2) 電池模組充電時(shí)吸熱，放電時(shí)放熱，放電溫度比充電溫度高，所以散熱時(shí)只考慮放電過程.

(3) 電池放電時(shí)，電池放電倍率恒定，電池?zé)嵩丛O(shè)為穩(wěn)定的體熱源.

(4) 電池在正常工作情況下，溫度一般在60 ℃以內(nèi)，輻射換熱較小，可以忽略不計(jì).

(5) 將空氣看作不可壓縮且物性參數(shù)不隨溫度變化的恒密度氣體，密度為1.185 kg·m-3、比定壓熱容為1.005 kJ·(kg·℃)-1、普朗特?cái)?shù)為0.702 、運(yùn)動(dòng)黏度為1.553×10-7m2·s-1.

對(duì)于電池模組傳熱過程，不僅有電池內(nèi)部固體導(dǎo)熱過程，還有電池外壁與空氣的對(duì)流換熱過程，因此電池模組傳熱過程是一個(gè)典型的流固耦合傳熱問題.電池模組采用自然對(duì)流散熱時(shí)，選用層流模型.電池模組采用強(qiáng)制對(duì)流散熱時(shí)，流動(dòng)類型為湍流，模擬中選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型[15].

為了引導(dǎo)空氣流向，電池箱出口處采用排風(fēng)扇.入口邊界類型為大氣壓，入口空氣溫度為25 ℃，相對(duì)壓力為0；出口邊界類型為速度進(jìn)口，流速為-5 m·s-1.電池標(biāo)稱容量2.0 C倍率放電，體熱源為34 601 W·m-3.

1.2 結(jié)果分析

在2.0 C倍率放電時(shí)，電池模組垂直流道中心截面流場分布和溫度分布如圖2所示.

圖2 電池模組溫度云圖和流速矢量圖Fig.2 Temperature cloud and velocity vector diagram of battery module

從圖2可以看到：整個(gè)流道最大流速為17.24 m·s-1，而靠近入口處平均流速僅6.00 m·s-1；電池模組電池溫度分布也不均勻，最左側(cè)電池最高溫度達(dá)到40.25 ℃，電池表面最大溫差為12.01 ℃，電池溫度均勻性和電池模組溫度一致性較差.

2 電池模組結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1 電池模組均勻進(jìn)風(fēng)改進(jìn)

在不改變?cè)姵啬＝M排列方式的情況下，通過改變進(jìn)風(fēng)形式和流道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)3種不同電池模組結(jié)構(gòu)，分別為楔形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)、圓孔擋板結(jié)構(gòu)，如圖3所示.

a 楔形結(jié)構(gòu)b 梯形結(jié)構(gòu)

c 圓孔擋板結(jié)構(gòu)圖3 均勻進(jìn)風(fēng)電池模組結(jié)構(gòu)Fig.3 Battery module structures with uniform air inlet

楔形結(jié)構(gòu)和梯形結(jié)構(gòu)均為一側(cè)進(jìn)風(fēng)、一側(cè)出風(fēng)，圓孔擋板結(jié)構(gòu)為兩側(cè)進(jìn)風(fēng)、中間出風(fēng).前兩種結(jié)構(gòu)，電池模組固定在底部兩邊的筋條上，空氣從電池間隙流出；圓孔擋板結(jié)構(gòu)是在電池間隙處開孔，空氣經(jīng)過圓孔，從而達(dá)到對(duì)電池進(jìn)行冷卻的目的，如圖4中的箭頭所示.

圖4 圓孔擋板結(jié)構(gòu)二維示意圖Fig.4 Two-dimensional schematic diagram of circular hole baffle structure

電池以2.0 C倍率放電，假設(shè)空氣入口溫度(25 ℃)和流速(5 m·s-1)恒定且相等，對(duì)3種電池模組結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱仿真分析.

2.1.1電池模組流場

出口速度均為5 m·s-1時(shí)，得到電池模組垂直流道中心截面的速度云圖(見圖5).

通過圖5可以看到，一側(cè)進(jìn)風(fēng)的楔形結(jié)構(gòu)和梯形結(jié)構(gòu)，靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)的空氣流速仍然較低，僅有6.0 m·s-1.這是因?yàn)槿肟谔幍牧鞯赖撞勘冗M(jìn)風(fēng)口高出一截，空氣沒有導(dǎo)流作用，流入較少.同時(shí)，由于流道面積較大，其余流道的最高流速也只有17.7 m·s-1和21.2 m·s-1，與原電池模組結(jié)構(gòu)相比改善效果并不明顯.由于采用兩側(cè)進(jìn)風(fēng)中間出風(fēng)，圓孔擋板結(jié)構(gòu)流量分布相對(duì)均勻，流速大小基本相等，而且由于流道面積變小，相同流量下速度變大，最高流速可達(dá)44.7 m·s-1.由傳熱學(xué)可知，溫差和換熱面積一定時(shí)流速越大換熱量越大.通過3種結(jié)構(gòu)的流速大小及分布云圖可以發(fā)現(xiàn)，3種結(jié)構(gòu)中圓孔擋板結(jié)構(gòu)在均勻進(jìn)風(fēng)方面是最好的.

a 楔形結(jié)構(gòu)

b 梯形結(jié)構(gòu)

c 圓孔擋板結(jié)構(gòu)圖5 不同結(jié)構(gòu)電池模組垂直流道中心截面速度云圖

Fig.5Velocityclouddiagramofverticalchannelmiddlesectionofbatterymodulefordifferentstructures

2.1.2電池模組溫度場

在電池初始溫度30 ℃、2.0 C倍率放電，空氣入口溫度25 ℃、出口流速5 m·s-1時(shí)，得到3種結(jié)構(gòu)的電池模組垂直流道中心截面溫度云圖和流速矢量圖,如圖6所示.

由圖6可知：在2.0 C倍率放電下，楔形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)、圓孔擋板結(jié)構(gòu)的電池最高溫度分別為40.52、39.74、38.32 ℃.雖然電池最高溫度均未超過工作適宜溫度45 ℃，但是前兩個(gè)結(jié)構(gòu)由于靠近入口處風(fēng)道的風(fēng)量和流速較小，靠近入口處的電池最高溫度明顯偏高，因此降低了電池模組電池間的溫度一致性.電池間最大溫差分別為11.93、11.48、8.08 ℃，雖然電池最大溫差都超過了工作適宜溫差5 ℃，但是圓孔擋板結(jié)構(gòu)的電池最大溫差明顯低于前兩種結(jié)構(gòu)，提高了電池的溫度均勻性.

2.2 電池模組冷卻維度改進(jìn)

上述圓孔擋板結(jié)構(gòu)中，空氣只是流經(jīng)了電池前后表面，因此只在一個(gè)維度上進(jìn)行了冷卻，并未對(duì)兩側(cè)面進(jìn)行冷卻，如圖6所示.接下來對(duì)圓孔擋板結(jié)構(gòu)在冷卻維度上進(jìn)一步改進(jìn)，分別在電池側(cè)面的擋板處開孔和在電池箱一側(cè)開孔，如圖7所示.前者空氣流向平行，稱平行冷卻；后者空氣流向垂直，稱垂直冷卻.

a 楔形結(jié)構(gòu)

b 梯形結(jié)構(gòu)

c 圓孔擋板結(jié)構(gòu)圖6 不同結(jié)構(gòu)電池模組垂直流道中心截面溫度云圖和 流速矢量圖

Fig.6Temperaturecloudandvelocityvectordiagramofverticalchannelmiddlesectionofbatterymodulefordifferentstructures

a 平行冷卻

b 垂直冷卻圖7 圓孔擋板結(jié)構(gòu)冷卻維度改進(jìn)后二維示意圖

Fig.7Two-dimensionalschematicdiagramofcircularholebafflestructurewithimprovedcoolingdimension

2.0 C倍率放電時(shí)，得到不同冷卻維度下電池模組溫度云圖，如圖8所示.為使散熱結(jié)果更加直觀，添加了截面流道的流速矢量圖.通過圖8可以看到，在2.0 C放電倍率下，如果空氣流量相同，平行冷卻和垂直冷卻對(duì)電池模組的冷卻效果差異并不是很大，電池最高溫度和最大溫差分別在37 ℃和7 ℃左右.相比之前一維冷卻，電池側(cè)面最高溫度由原來37 ℃降到35 ℃，熱量集中在了電池模組上下表面.

a 平行冷卻

b 垂直冷卻圖8 不同冷卻維度下電池模組溫度云圖和流速矢量圖

Fig.8Temperaturecloudandvelocityvectordiagramofbatterymodulewithdifferentcoolingdimensions

由于電池是內(nèi)部產(chǎn)熱，最高溫度出現(xiàn)在電芯內(nèi)部及沿空氣流向的電池末端表面處，因此平行冷卻的電池模組中上端溫度明顯偏高，而垂直冷卻的電池模組中部流經(jīng)空氣處溫度較為均勻.因此，從電池模組溫度一致性的角度來看，垂直冷卻比平行冷卻更有優(yōu)勢.

3 雙流道垂直冷卻結(jié)構(gòu)的散熱特性分析

雖然平行冷卻和垂直冷卻都可以對(duì)電池前后面和兩側(cè)面進(jìn)行二維冷卻，但2種冷卻方式有著本質(zhì)上的區(qū)別.除了流向垂直，垂直冷卻的流道還相互獨(dú)立.2個(gè)流道的風(fēng)機(jī)可以單獨(dú)控制，能夠更靈活地對(duì)電池模組溫度進(jìn)行控制.由于平行冷卻不利于液體流道的布置，因此本文將重點(diǎn)研究垂直冷卻的雙流道二維冷卻結(jié)構(gòu)的散熱特性.

3.1 放電倍率對(duì)電池溫度的影響

1.0 C倍率以內(nèi)，電池產(chǎn)熱較少，采用自然對(duì)流進(jìn)行冷卻；1.0 C到3.0 C倍率下產(chǎn)熱較大，自然對(duì)流已不能滿足換熱要求，必須進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流冷卻.電池表面最高溫度和最大溫差隨放電倍率的變化關(guān)系如圖9和圖10所示.

圖9 電池表面最高溫度和放電倍率的關(guān)系Fig.9 Relationship between battery surface maximum temperature and discharge rate

圖10 電池表面最大溫差和放電倍率的關(guān)系Fig.10 Relationship between battery surface maximum temperature difference and discharge rate

當(dāng)環(huán)境溫度在常溫25 ℃時(shí)，電池在0.8 C倍率下放電時(shí)無需強(qiáng)制風(fēng)冷，自然對(duì)流即可滿足散熱需求；當(dāng)電池放電倍率在0.8 C到2.4 C之間時(shí)，風(fēng)扇出口流速為5 m·s-1仍能滿足散熱需求，電池表面最高溫度不會(huì)超過45 ℃；當(dāng)電池放電倍率超過2.4 C后，同等轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇將不能滿足散熱需求，很難將電池溫度控制在合理范圍內(nèi).

在低倍率放電時(shí)，電池產(chǎn)熱較少，自然冷卻后電池表面最大溫差保持在較小范圍內(nèi)，在電池放電倍率為1.0 C時(shí)，電池表面最大溫差僅為1.28 ℃.隨著放電倍率的增加，電池產(chǎn)熱較多，由于電池本身材料的多樣性和各向異性導(dǎo)致未被冷卻或冷卻效果不好的地方熱量積累.當(dāng)放電倍率低于1.6 C時(shí)，電池表面最大溫差還能維持在5 ℃以內(nèi)；當(dāng)放電倍率高于1.6 C時(shí)，電池表面最大溫差已經(jīng)超過適宜溫差5 ℃.

3.2 環(huán)境溫度對(duì)電池溫度的影響

由第3.1節(jié)分析可知，在1.0 C放電倍率下，自然對(duì)流已經(jīng)無法滿足電池模組的散熱要求.在2.0 C倍率以上放電，即使環(huán)境溫度較低(5 ℃)，電池溫度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過適宜溫度.因此，2.0 C以上倍率放電時(shí)必須開啟風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流換熱.

在放電倍率一定(2.0 C)、入口流速5 m·s-1情況下，環(huán)境溫度(實(shí)際等于電池箱入口空氣溫度)分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃時(shí)，得到的電池表面最高溫度和最大溫差隨環(huán)境溫度的變化如圖11所示.

圖11電池表面最高溫度和電池表面最大溫差隨環(huán)境溫度變化

Fig.11Variationofbatterysurfacemaximumtemperatureandbatterysurfacemaximumtemperaturedifferencewithambienttemperature

從圖11可以看出，電池表面最高溫度和環(huán)境溫度成線性相關(guān).當(dāng)環(huán)境溫度低于30 ℃時(shí)，通過風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)就能將電池最高溫度控制在45 ℃以內(nèi).環(huán)境溫度越低電池表面最高溫度也越低，所需的冷卻時(shí)間也就越短，進(jìn)而風(fēng)扇所需的能耗也相應(yīng)降低.當(dāng)環(huán)境溫度大于30 ℃時(shí)，風(fēng)扇散熱能力明顯降低，很難將電池溫度控制下來，尤其是高溫(>35 ℃)環(huán)境下.如果還僅選擇風(fēng)扇冷卻，已經(jīng)不能滿足散熱需求，很容易出現(xiàn)電池溫度過高，導(dǎo)致熱失控、著火等安全問題.盡管空氣入口溫度不一樣，但是電池表面最大溫差卻沒有改變，始終都是7.93 ℃.這說明當(dāng)發(fā)熱量一定、散熱方式一樣并且能夠滿足散熱需求時(shí)，平衡后的電池溫差是個(gè)恒定值，由本身材料決定，不隨環(huán)境溫度的改變而改變.

3.3 出口流速對(duì)電池溫度的影響

本文研究的風(fēng)扇是排風(fēng)扇，進(jìn)出口邊界類型分別是壓力入口和速度出口(速度為負(fù)).由于截面一定時(shí)，流量決定了風(fēng)速，因此將出口流速改變作為調(diào)節(jié)入口流量的一個(gè)手段進(jìn)行研究.其他條件不變，在出口流速為2、4、6、8、10 m·s-1時(shí)，電池表面最高溫度和最大溫差隨出口流速變化如圖12所示.

圖12出口流速對(duì)電池表面最高溫度和電池表面最大溫差的影響

Fig.12Effectofexitflowvelocityonbatterysurfacemaximumtemperatureandbatterysurfacemaximumtemperaturedifference

由圖12可以看到，電池表面最高溫度和最大溫差隨出口流速的增加而降低.這是由于流速越大，空氣流量也越大，從而帶走的熱量也越多.在工程應(yīng)用中，考慮到成本、能耗和噪音等問題，不能無限增大流速.

當(dāng)出口流速低于2 m·s-1時(shí)，電池表面最高溫度超過最高適宜溫度45 ℃；當(dāng)出口流速大于2 m·s-1時(shí)，電池能夠工作在適宜的溫度區(qū)間.在2 m·s-1到6 m·s-1之間，隨著流速增加，電池表面最高溫度下降較快；當(dāng)出口流速大于6 m·s-1時(shí)，電池表面最高溫度下降速度緩慢.這表明，最高溫度隨著出口流速的增加有所降低，但增加到一定值后效果就不再明顯，所以為了節(jié)省風(fēng)機(jī)能耗，選擇合適的流速即可.另外，即使出口流速達(dá)到10 m·s-1，電池表面最大溫差依然高于目標(biāo)溫差5 ℃，不滿足電池均勻性要求.這是因?yàn)榭諝庵涣鹘?jīng)了電池前后面和左右側(cè)面，熱量積累在電池未經(jīng)冷卻的上下表面，造成溫差偏高.在后文中將通過添加液冷板來進(jìn)一步改善電池表面的溫度均勻性.

3.4 電池間距對(duì)電池溫度的影響

決定電池間空氣流道寬度的主要因素是電池間距.因此，在其他條件一定，電池間距為2、4、6、8、10 mm時(shí)，對(duì)2.0 C倍率放電下電池進(jìn)行散熱仿真分析，得到的電池表面最高溫度和最大溫差隨電池間距變化如圖13～15所示.

圖13反映的是電池溫度均勻性，圖14反映的是電池模組溫度一致性.由圖13、14可知：隨著電池間距增大，電池表面最大溫差和內(nèi)外最大溫差均降低，電池溫度均勻性得到提升；隨著電池間距增大，電池模組表面最高溫度有所增加，但是由圖15可知，判斷電池模組表面溫度一致性和內(nèi)外溫度一致性的溫差標(biāo)準(zhǔn)差先降低后增加，說明單純從電池表面最大溫差來判斷電池模組溫度一致性是片面的，從整體的偏差程度來看將更有意義.

圖13 電池間距和電池最大溫差的關(guān)系Fig.13 Variation of battery maximum temperature difference with battery gap

圖14 電池模組表面溫度及表面最大溫差

Fig.14Surfacetemperatureandsurfacemaximumtemperaturedifferenceofbatterymodule

圖15 電池溫差的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.15 Standard deviation of temperature difference between batteries

電池間距對(duì)電池最大溫差影響較大，2～6 mm時(shí)，電池最大溫差隨電池間距的增加而下降明顯，約達(dá)到1 ℃·(2 mm)-1，6 mm后降速有所減緩.電池間距對(duì)電池模組表面最高溫度影響較小，2 mm時(shí)為37.45 ℃，10 mm時(shí)為38.42 ℃，間距增大8 mm，最高溫度增加還不到1 ℃.電池模組表面最低溫度隨電池間距增加而增加明顯，電池間距每增大2 mm，電池模組表面最低溫度增加約1 ℃，由此導(dǎo)致電池模組表面最大溫差隨著間距增大反而有所降低.如圖15所示，電池間距每增大2 mm，電池模組表面最大溫差降低約0.5 ℃.

由此可見，在一定范圍內(nèi)電池間距對(duì)電池模組表面最高溫度影響較小.合理增大電池間距不僅可以提高電池溫度均勻性，還能有效降低電池表面最大溫差，但間距過大時(shí)電池模組溫度一致性反而有所降低.

4 結(jié)論

(1) 小倍率下(<0.8 C)放電時(shí)，自然對(duì)流即可滿足散熱需求；大倍率(>2.4 C)放電時(shí)，強(qiáng)制風(fēng)冷不能滿足散熱需求.

(2) 當(dāng)環(huán)境溫度超過30 ℃時(shí)，電池模組溫度很容易超出適宜溫度區(qū)間，強(qiáng)制風(fēng)冷亦不能滿足散熱需求.

(3) 從換熱效果、能耗和維護(hù)成本等角度綜合分析，出口流速6 m·s-1較優(yōu).

(4) 隨著電池間距增大，電池溫度均勻性和電池模組溫度一致性均得到提高，但電池模組表面最高溫度反而增加，建議電池間距選擇4～6 mm.