陳紅，趙樹男

（1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；2.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070； 3.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070）

引言

動(dòng)力鋰電池由于其能量密度高、電壓高、比功率大、循環(huán)性能好、無污染等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車[1]。為滿足汽車正常行駛所需能量和續(xù)航里程，電池?cái)?shù)量較多，一般將單體電池串并聯(lián)密集排列組成電池組以節(jié)約安裝空間。單體電池在電池組所處散熱環(huán)境不同造成個(gè)體溫度差異。在熱電耦合作用下，溫度高的電池內(nèi)阻會(huì)減小，使得流經(jīng)該電池的電流增大，電池單體荷電狀態(tài)愈加不均，加速電池組劣化，進(jìn)而影響電池工作效率及壽命，甚至存在嚴(yán)重的安全隱患。因此，針對(duì)電池組散熱性能及單體間不一致性進(jìn)行有效的熱管理十分有必要。研究表明，鋰電池最佳工作溫度范圍為15～35 ℃，控制單體電池間溫差不超過5 ℃，最高安全溫度不超過55 ℃時(shí)，電池組可獲得較好的工作性能及壽命[2]。常用熱管理技術(shù)包括空氣冷卻、液體冷卻和相變冷卻等。相比其他冷卻方式，空氣冷卻技術(shù)成本更低，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，已成為動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾碜畛Ｓ玫慕鉀Q方案之一[3]。

冷卻系統(tǒng)散熱性能主要受介質(zhì)物性及散熱結(jié)構(gòu)影響。介質(zhì)物性影響電池表面熱傳遞效率，散熱結(jié)構(gòu)影響電池組內(nèi)部流場，進(jìn)而影響整體散熱效能。Saw等[4]通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了霧式冷卻的熱工性能，發(fā)現(xiàn)采用霧冷卻系統(tǒng)電池溫度分布較采用干空氣冷卻系統(tǒng)更均勻、溫度更低，性能提升高達(dá)45 %。Chen等[3]對(duì)并行風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，研究電池組運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻性能的影響。結(jié)果表明，減小進(jìn)風(fēng)溫度或增大進(jìn)口流量均可降低電池最高溫度；改變進(jìn)、出風(fēng)腔角度可有效改善系統(tǒng)冷卻性能。Chen等引入牛頓法與流動(dòng)阻力網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合的方法，以使冷卻通道內(nèi)氣流速度標(biāo)準(zhǔn)差最小為目標(biāo)，分別求解了最優(yōu)壓室寬度[5]、電池間距[6]參數(shù)。根據(jù)解值進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的系統(tǒng)，冷卻性能得到顯著改善，電池組最大溫差降低40 %以上。Esfahanian等[7]設(shè)計(jì)了耦合熱電技術(shù)的風(fēng)冷系統(tǒng)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在高充放電速率和環(huán)境溫度大于40 ℃情況下，電池溫度可保持在35 ℃以下，溫差不超過5 ℃。Mousavi等[8]設(shè)計(jì)了裝置于車輛儀表盤前的鋰離子電池組，該電池組采用縱向管風(fēng)道散熱。利用遺傳算法對(duì)管徑、風(fēng)速等目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，管徑取極值，風(fēng)速為2.6 m/s時(shí)電池組可取得最佳散熱效果。Yang等[9]采用COMSOL Multiphysics仿真軟件對(duì)LiFePO4電池組圓柱形電池不同布置方式下的熱性能進(jìn)行了比較分析，發(fā)現(xiàn)冷卻介質(zhì)流量一定時(shí)，交錯(cuò)排列的電池最大溫升與縱向間距成正比，對(duì)齊排列電池與之相反；橫向間距增大，交錯(cuò)排列、對(duì)齊排列電池溫升均會(huì)增加。張鑫等[10]對(duì)并行風(fēng)冷的方形動(dòng)力鋰電池組進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)行排列單體電池的最高溫度比列排列高，風(fēng)冷流場設(shè)計(jì)以列排列方式為宜。

文獻(xiàn)多針對(duì)影響風(fēng)冷散熱性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行逐項(xiàng)分析，未考慮實(shí)際應(yīng)用中因素間的制約作用，對(duì)有限條件下的散熱性能優(yōu)化研究較少。對(duì)于外形尺寸、風(fēng)扇功率固定的圓柱形鋰離子電池組，為提升其性能及使用壽命，本文建立了數(shù)值仿真模型，對(duì)影響電池組散熱性能的因素進(jìn)行了分析，提出優(yōu)化策略，有效解決電池組局部超溫問題。

1 研究對(duì)象

鋰電池裝配在箱體圓筒形通道內(nèi)，兩端電極與鋁排接觸實(shí)現(xiàn)電池串、并聯(lián)，通過排風(fēng)風(fēng)扇的抽吸作用從進(jìn)風(fēng)口引入外側(cè)空氣帶走電池產(chǎn)熱，如圖1。箱體為一體注塑成型，裝置電池的圓筒形通道形成各排電池間的波浪形風(fēng)道，箱體外側(cè)與電池組外殼形成殼側(cè)風(fēng)道，具體細(xì)節(jié)見圖2。

圖1 電池組三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 箱體細(xì)節(jié)圖

以電池組為研究對(duì)象，通過數(shù)值仿真方法分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)對(duì)電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)性能的影響。重點(diǎn)考察電池表面最高溫度及電池組內(nèi)單體電池間最大溫差。兼顧工作能力與成本，控制電池最高溫度不超過50 ℃，單體電池間溫差不超過5 ℃。對(duì)電池組整體進(jìn)行幾何建模，將不影響研究問題的非關(guān)鍵幾何進(jìn)行簡化，如連接件、脫模倒角工藝特征等，避免網(wǎng)格數(shù)量過多，或生成質(zhì)量較差的網(wǎng)格影響仿真計(jì)算的收斂性。電池組外殼尺寸730 mm×208 mm×345 mm，內(nèi)部放置36個(gè)圓柱形鋰電池，按4排并行排列，單體電池尺寸為φ65×160 mm。幾何模型中不設(shè)置排風(fēng)風(fēng)扇實(shí)體，通過在出口面設(shè)置速度邊界實(shí)現(xiàn)出流空氣模擬計(jì)算。進(jìn)風(fēng)口因受附加部件遮擋，進(jìn)風(fēng)位置、面積按實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行簡化表達(dá)，設(shè)置為上下兩個(gè)長方形入口。具體模型見圖3。

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

電池柱形表面與圓筒形通道接觸，工作時(shí)產(chǎn)熱沿筒體厚度方向傳導(dǎo)進(jìn)入散熱風(fēng)道通過風(fēng)機(jī)排出箱體；部分熱量沿軸向方向傳導(dǎo)至與之接觸的鋁排，加熱兩側(cè)薄腔內(nèi)空氣并通過側(cè)殼散熱。進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需生成電池、箱體、鋁排等固體網(wǎng)格和空氣流體域網(wǎng)格。鑒于模型的復(fù)雜性，使用ICEM軟件對(duì)幾何進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并配合網(wǎng)格參數(shù)差異化設(shè)置，使得網(wǎng)格數(shù)量維持在適宜水平減少計(jì)算成本，并滿足必要的精度[11]。生成計(jì)算域網(wǎng)格見圖4。

2.2 計(jì)算模型

電池生熱主要包括內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)熱、電流通過電阻產(chǎn)生的焦耳熱、化學(xué)反應(yīng)過程中電極引起的極化內(nèi)阻產(chǎn)生的極化熱，以及高溫工作下電解質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)熱。本文動(dòng)力電池生熱量采用Bernardi D生熱速率模型，計(jì)算公式如下[12]：

式中：

q—單位體積電池生熱率；

V—電池單體體積；

T—工作溫度；

E、Eo—電池單體電壓、電池開路電壓。

根據(jù)式（1）中，E-Eo= IR，電池單體生熱量可轉(zhuǎn)化為：

式中：

I—電池工作時(shí)的充放電電流，充電時(shí)電流為正，放電時(shí)為負(fù)；

R—電池歐姆內(nèi)阻。

電池組內(nèi)換熱形式較復(fù)雜，包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種形式。因電池箱結(jié)構(gòu)緊湊，空氣強(qiáng)制流動(dòng)作用明顯，熱輻射相較其它熱傳遞形式作用微弱，計(jì)算模型中進(jìn)行忽略[13]。

圖3 電池組幾何計(jì)算模型

圖4 網(wǎng)格劃分

熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律[14]：

式中：

φ—熱流量；

λ—材料熱導(dǎo)率；

空氣流過散熱風(fēng)道表面時(shí)發(fā)生熱對(duì)流，遵循牛頓冷卻公式[14]：

式中：

h—表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

A—接觸面積；

tw、tf—物體壁面溫度、流體溫度。

應(yīng)用Fluent軟件對(duì)電池組進(jìn)行數(shù)值模擬分析，質(zhì)量、能量、動(dòng)量通用控制方程為[15]：

式中：

φ—通用變量；

Γφ—廣義擴(kuò)散系數(shù)；

U—速度矢量；

Sφ—廣義源項(xiàng)。

選用Realizablek-ε雙方程湍流模型，近壁面采用壁面函數(shù)處理法。各標(biāo)量，如壓力、動(dòng)量、能量項(xiàng)等采用二階迎風(fēng)離散格式，壓力-速度耦合方程采用SIMPLEC算法[13]。使用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器對(duì)電池組內(nèi)部流場、溫度場進(jìn)行數(shù)值仿真，監(jiān)測電池平均溫度、排風(fēng)口壓力。當(dāng)質(zhì)量、動(dòng)量方程殘差達(dá)到1e-3，能量方程殘差達(dá)到1e-6，監(jiān)測溫度、壓力值基本不變時(shí)，計(jì)算即達(dá)到收斂[11]。

2.3 物性處理與邊界條件

電池內(nèi)部發(fā)熱復(fù)雜，為便于進(jìn)行熱分析模擬，建立傳熱模型時(shí)，對(duì)電池做如下假設(shè)[1]：

1）電池內(nèi)部各材料物性相同且各向同性；

2）忽略電池內(nèi)部熱輻射作用；

3）電池內(nèi)部各材料比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)不受放電深度及環(huán)境溫度影響；

4）電池充、放電時(shí)，內(nèi)部各處電流密度分布均勻，生熱速率相同。

鋰離子電池一般由多種材料組合而成，利用工程測量方法難以獲取準(zhǔn)確熱物性參數(shù)，可采用等效近似方法來計(jì)算[16]。通過對(duì)組成電池的各種材料的比熱進(jìn)行質(zhì)量加權(quán)平均得到電池平均比熱容：

式中：

ρi、Vi—電池各層材料密度、體積；

ci—電池各層材料比熱容。

使用等效熱阻法計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。單體電池導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性，通常簡化為沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向具有不同的導(dǎo)熱系數(shù)，且每個(gè)方向上是均勻的。

根據(jù)串聯(lián)電阻法，電池徑向?qū)嵯禂?shù)：

根據(jù)并聯(lián)電阻法，電池軸向、周向?qū)嵯禂?shù)：

式中：

hi—電池各層材料厚度；

λi—電池各層材料導(dǎo)熱系數(shù)。

大氣壓力為101.325 kPa，環(huán)境溫度為25 ℃?？諝馕镄园闯?shù)設(shè)置，考慮重力粘性特性及浮力特性。固體域參考實(shí)際選材，分別對(duì)外殼塑料、箱體塑料、電池以及鋁排進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等。

電池設(shè)置為體熱源，熱源密度由發(fā)熱功率與幾何體積的比值求得。根據(jù)電池發(fā)熱模型計(jì)算電池發(fā)熱功率，單體電池約為15 W。

外殼壁面定義為與空氣自然對(duì)流換熱壁面，換熱系數(shù)值設(shè)為5 W/m2·k[17]，與流體域接觸的邊界面設(shè)定為耦合壁面。

進(jìn)風(fēng)口為壓力入口邊界，參考實(shí)際風(fēng)扇能力設(shè)定入口總壓，溫度為25 ℃；出風(fēng)口為壓力出口邊界，靜壓設(shè)為0 Pa。

3 結(jié)果與分析

為方便分析，對(duì)單體電池進(jìn)行編號(hào)。電池行從上至下依次為第一至第四排電池，每排電池靠近進(jìn)風(fēng)口側(cè)為起始編號(hào)，如第一排電池從右至左為1～9#電池，以此類推。

將數(shù)值仿真結(jié)果導(dǎo)入CFD Post進(jìn)行后處理，分析風(fēng)冷風(fēng)道內(nèi)流體流動(dòng)和傳熱特性。穩(wěn)態(tài)仿真下，電池組溫度場分布云圖如圖5所示。

右側(cè)為進(jìn)風(fēng)口，左側(cè)為出風(fēng)口。從圖5可以看出，電池溫度沿空氣流動(dòng)方向逐漸升高；各排電池間，第二、三排電池溫度較高，一、四排電池溫度較低。沿空氣流動(dòng)方向各排電池為串行排列，通過進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的冷卻風(fēng)沿風(fēng)道與電池不斷進(jìn)行對(duì)流換熱，溫度逐漸升高，致使靠近出風(fēng)口處的電池散熱環(huán)境逐漸惡化，散熱效率降低。各排電池所處散熱條件有差異，第二、三排電池兩側(cè)均有發(fā)熱源，而一、四排電池僅受相鄰單排電池?zé)嵩吹挠绊?，故溫度分布低于中間排電池。

電池組速度矢量圖如圖6所示。中間三條波浪形風(fēng)道風(fēng)速大于兩側(cè)殼側(cè)風(fēng)道，進(jìn)、出風(fēng)口附近存在局部渦流死區(qū)。冷卻風(fēng)經(jīng)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道后，根據(jù)風(fēng)道阻力大小分配進(jìn)入各風(fēng)道的流量。受進(jìn)風(fēng)口位置影響，相較殼側(cè)風(fēng)道，中間波浪形風(fēng)道離進(jìn)風(fēng)口更近，冷卻風(fēng)更易進(jìn)入中間波浪形風(fēng)道，而殼側(cè)風(fēng)道分配風(fēng)量稍小。同時(shí)，1#、28#電池風(fēng)道上設(shè)有橫向肋，進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的冷卻風(fēng)需克服較大阻力繞過橫向肋才能進(jìn)入殼側(cè)風(fēng)道，繞流過程橫向肋背風(fēng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生局部渦流造成風(fēng)量損失。殼側(cè)風(fēng)道的鋸齒形蓋板設(shè)置未達(dá)到預(yù)期擾流強(qiáng)化換熱作用，反而因減小有效流通截面積，增大了流動(dòng)阻力，進(jìn)一步削減了殼側(cè)風(fēng)道有效風(fēng)量。

進(jìn)風(fēng)口為兩條條縫，下進(jìn)風(fēng)口面積為上進(jìn)風(fēng)口的1.5倍，電池組下側(cè)進(jìn)風(fēng)量高于上側(cè)，因而第三波浪形風(fēng)道風(fēng)速高于第一、二波浪形風(fēng)道。

電池溫度分布受多因素綜合影響。雖然第二、三排電池周圍散熱風(fēng)道流速高，但其因兩側(cè)均有發(fā)熱源，散熱風(fēng)道負(fù)荷大，電池溫度分布高于第一、四排電池。而第三波浪形風(fēng)道風(fēng)速高于第一波浪風(fēng)道，因此第四排電池溫度略低于第一排電池溫度。

單體電池最高溫度分布見圖7。對(duì)于單排串行風(fēng)道，流過不同電池的先后順序影響了局部散熱的效率，造成不同位置電池溫差。電池產(chǎn)熱導(dǎo)出速率慢、冷卻風(fēng)吸收熱量未及時(shí)排出等因素加劇了這一差異。第一、二、三、四排電池單體間最大差異分別為6.5 ℃、8.1 ℃、9.1 ℃、5.7 ℃，電池溫度最高、低值分別為出、進(jìn)風(fēng)口處電池。

圖5 電池組溫度分布云圖(單位: ℃)

圖6 電池組速度矢量圖(單位: m/s)

圖7 單體電池最高溫度示圖(單位: ℃)

對(duì)于整個(gè)電池組，18#電池溫度最高，為52.5 ℃；28#電池溫度最低，為42.8 ℃。其中，9個(gè)電池溫度超過了50 ℃限值，單體電池間最大溫差9.7 ℃，遠(yuǎn)大于5 ℃的預(yù)定目標(biāo)，無法滿足使用要求。

4 優(yōu)化方案

針對(duì)單體電池最高溫度超限，電池間溫度均勻性差問題，對(duì)原電池組風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。考慮成本問題，電池組外形尺寸、風(fēng)扇輸出功率等均保持不變，通過風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)有效風(fēng)量增大以改善電池組整體散熱性能。優(yōu)化方案如下：

1）因鋸齒形蓋板改善散熱能力有限，取消此結(jié)構(gòu)以提供風(fēng)道寬度可調(diào)整范圍。

2）對(duì)于第二、三排電池，主要通過增加波浪形風(fēng)道寬度來改善散熱。風(fēng)道加寬后，不僅可提高冷卻介質(zhì)入口流量，熱源的距離變遠(yuǎn)也會(huì)使得散熱風(fēng)道負(fù)荷減小，有利于降低電池溫度。

3）橫向肋雖可增加換熱接觸面積，但其與冷卻介質(zhì)流動(dòng)方向垂直，冷卻介質(zhì)需繞流過橫向肋才能進(jìn)入各風(fēng)道。這不僅增加了冷卻介質(zhì)流動(dòng)阻力，也導(dǎo)致局部渦流死區(qū)出現(xiàn)，使得有效風(fēng)量減小，不利散熱，因此取消橫向肋結(jié)構(gòu)。

4）對(duì)于第一、四排電池，因其距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)，增加新的進(jìn)風(fēng)口是更好的優(yōu)化選擇，在上下蓋板上均開設(shè)條縫進(jìn)口以增大有效進(jìn)風(fēng)量，改善其散熱能力。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行仿真計(jì)算，電池組溫度云圖、速度矢量圖分別見圖9、圖10。

對(duì)比速度矢量圖6、10，風(fēng)道結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各風(fēng)道流速均有提高，整個(gè)流場較優(yōu)化前更均勻，渦流死區(qū)也有所減少。優(yōu)化前風(fēng)道總風(fēng)量約為0.043 6 m3/s，優(yōu)化后提升至0.074 1 m3/s，提升率為70 %。

對(duì)比溫度云圖5、9，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各單體電池溫度均大幅下降，溫度均勻性也得到明顯改善。優(yōu)化前后單體電池最高溫度對(duì)比圖見圖11。

優(yōu)化后，電池組中26#單體電池溫度最高，為47.5 ℃，28#電池溫度最低，為42.6 ℃，單體電池間最大溫差4.9 ℃。滿足單體電池最高溫度不超過50 ℃，單體間溫差不超過5 ℃的使用要求。其中，18#電池降溫最多，為5.3 ℃，優(yōu)化率為10 %。電池組中單體電池最大溫差由9.7 ℃降低至4.9 ℃，提升率為49.5 %。

圖8 電池組優(yōu)化結(jié)構(gòu)

圖9 電池組溫度分布云圖(單位: ℃)

圖10 電池組速度矢量圖(單位: m/s)

圖11 優(yōu)化前后單體電池最高溫度對(duì)比示圖(單位: ℃)

5 結(jié)論

1）對(duì)圓柱形鋰電池叉形排列風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和數(shù)值仿真分析。對(duì)于并行各排電池，越靠近外殼，電池散熱效果越好；對(duì)于單排串行電池，沿著流體流動(dòng)方向，空氣溫度逐漸升高，單體電池散熱效果變差。

2）電池組外形尺寸、風(fēng)扇功率一定時(shí)，散熱性能受風(fēng)道寬度、進(jìn)風(fēng)面積等因素影響。風(fēng)道寬度增大，進(jìn)風(fēng)面積增加，風(fēng)道有效風(fēng)量增加，電池散熱性能得到改善。

3）本文原型電池組經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，有效風(fēng)量增加70 %，單體電池溫度最高降低5.3 ℃。溫度均勻性得到明顯改善，單體電池溫差由9.7 ℃降低至4.9 ℃，提升率為49.5 %。