王 雨，唐 豪，龔 振

(南京航空航天大學能源與動力學院航空發(fā)動機熱環(huán)境與熱結(jié)構(gòu)工業(yè)和信息化部重點實驗室，江蘇南京 210016)

鋰離子電池由于具有高比容量、優(yōu)異的循環(huán)壽命以及低自放電率等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前電動汽車應用的主流。然而，鋰離子電池對溫度具有很高的敏感性，在日常使用中，電池組的溫度會直接影響到電池系統(tǒng)的安全、性能和使用壽命。為了保證電動汽車整車的動力性能和熱安全性能，應該盡量使電池組處于理想工作溫度和溫差范圍內(nèi)。

電池熱管理系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)的不同可以分為風冷式、液冷式、相變材料冷卻、熱管冷卻和混合冷卻。其中風冷式由于結(jié)構(gòu)簡單、安全性高等優(yōu)點，被廣泛應用于鋰離子電池組散熱。Xie 等[1]針對風冷系統(tǒng)的進出氣通道角度和電池間距進行了正交研究，結(jié)果表明在進出口角度均為2.5°且電池間氣流通道均勻的情況下，電池組冷卻性能最佳。Chen 等[2]提出了幾種不同進出口布置的風冷系統(tǒng)并對其進行了研究，研究結(jié)果表明，空氣出入口的位置對風冷式熱管理系統(tǒng)有顯著影響。Xu 等[3]研究了橫向通風流道和縱向通風流道對電池箱溫度的影響特性，結(jié)果表明，與縱向通風流道相比，橫向通風更能提高散熱性能。Hong 等[4]在Z 型空冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了第二個出風口，其研究發(fā)現(xiàn)增加出風口可以改善散熱系統(tǒng)的性能。

上述文獻表明，目前對電池組空氣冷卻散熱系統(tǒng)的優(yōu)化主要是針對電池組進出口、電池排列方式等進行的，對于在電池組中添加擾流板來提高電池組冷卻性能的研究還較為缺少。文獻[5]通過增加垂直擾流板以提高冷卻性能，但并未研究擾流板高度和角度的變化對冷卻效果的影響。基于此，本文利用結(jié)構(gòu)較為簡單的空氣冷卻散熱方式，以方型鋰離子電池為研究對象，通過FLUENT 軟件對不同擾流板數(shù)量、布置、高度、角度和長度下空氣冷卻電池組的散熱特性進行了研究，旨在為空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供一定指導作用。

1 模擬方法與模型驗證

1.1 模型描述

1.1.1 鋰離子電池組散熱幾何模型

本文對方型磷酸鐵鋰電池進行研究，其電壓為3.2 V，容量為10 Ah。為了研究擾流板對冷卻空氣流道的影響，采用Z型電池散熱系統(tǒng)，建立的電池箱模型布置見圖1，電池箱的總尺寸為230 mm×73 mm×175 mm，其中電池尺寸為65 mm×16 mm×131 mm，電池箱外殼厚度為2 mm，電池間隔6 mm，進氣和出氣口高度均為20 mm。進氣口設(shè)置在電池箱右側(cè)底端，出風口位于左側(cè)頂端，單體電池根據(jù)其到進風口距離的遠近定義為電池1～10，空氣流道則相應定義為流道1～11。

圖1 電池箱布置和擾流板幾何模型

1.1.2 擾流板模型

為進一步提升原始模型對電池組的散熱性能，在電池正下方的空氣流場中添加厚度為0.5 mm 的擾流板。擾流板與電池箱的底部接觸，其底部邊緣與電池的端邊緣在同一垂直線上，如圖1 中擾流板位置處于電池3 下。本文所設(shè)計的擾流板初始長度為65 mm，定義擾流板與電池箱底部之間的角度為α，擾流板的垂直高度為h。

1.2 模擬方法

1.2.1 條件假設(shè)

采用CFD 方法，對模擬做出以下假設(shè)：(1)對于低流速流動，空氣不可壓縮；(2)環(huán)境溫度恒定，不隨時間變化；(3)電池是由各向異性材料制成的簡單實體，具有恒定的熱導率和比熱容；(4)電池充放電時的產(chǎn)熱量為定值，不隨溫度和時間變化。

1.2.2 模擬設(shè)置

在仿真時設(shè)置基本條件為壓力求解器，穩(wěn)態(tài)求解方法，進口設(shè)為速度入口(空氣流速為4 m/s)，出口設(shè)置為壓力出口，環(huán)境溫度為298.15 K。湍流模型為標準k-e 模型。電池箱壁面與空氣自然對流，其對流換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)。電池箱、電池與空氣的物性參數(shù)見表1。

表1 各材料物性參數(shù)

1.3 電池組散熱系統(tǒng)模型驗證

李淼林等[6]通過實驗對電池組風冷散熱系統(tǒng)進行了溫度測試，其實驗測定了由10 塊電池單體組成的電池組在2C放電倍率下的表面溫度和溫差。本文在FLUENT 中設(shè)置與其實驗相應的仿真條件和內(nèi)熱源，同時在與實驗相同的位置設(shè)有電池表面溫度測點。

電池組風冷散熱系統(tǒng)的仿真結(jié)果與文獻中實驗測得結(jié)果對比見圖2。圖2(a)為電池表面測點溫度仿真值與實驗值對比。由圖可知仿真得到的測點溫度的變化趨勢與實驗值較吻合，但略低于實驗值，這是因為在電池實際的充放電過程中，其生熱量會隨放熱時間增加；而在模擬時，電池生熱率被設(shè)為定值。圖2(b)為各電池單體的測點溫差值對比。圖中，仿真與實驗測得的各單體電池間溫差平均值相差小于0.5 K。經(jīng)分析可知，電池組表面各監(jiān)測點溫度值和溫差值的仿真結(jié)果與實驗結(jié)果變化規(guī)律基本一致，說明仿真結(jié)果準確，本文建立的電池組風冷散熱模型可靠。

圖2 電池組空氣散熱系統(tǒng)仿真結(jié)果(本文)與實驗結(jié)果[6]對比

2 結(jié)果與討論

2.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

數(shù)值計算與網(wǎng)格數(shù)量直接相關(guān)，網(wǎng)格數(shù)量越多，計算所需要的時間就越長。一般而言，當模型的網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，數(shù)值計算的精度就不再增加或緩慢增加，因此需要在網(wǎng)格數(shù)量與計算精度間尋求平衡。本文為排除網(wǎng)格量對仿真結(jié)果的影響，對模型進行了網(wǎng)格獨立性驗證。圖3 為不同數(shù)量網(wǎng)格模型的求解結(jié)果。

由圖3 可知，不同網(wǎng)格數(shù)量對仿真結(jié)果影響不大，當網(wǎng)格數(shù)超過74 萬后，計算結(jié)果變化較小。考慮到擾流板尺寸較小，為提高模擬效率，本文選擇230 萬的體網(wǎng)格參數(shù)進行仿真計算。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2.2 初始模型散熱效果分析

圖4 為初始模型(未加擾流板)的截面速度云圖。由圖可知，靠近出風口一側(cè)的電池冷卻流道1～5 空氣流速較快，靠近進氣口一側(cè)的流道7～11 空氣流速較慢，因此靠近進口處電池產(chǎn)生的熱量難以被空氣帶走，從而導致流場前端電池尤其是電池8、9 的溫度明顯較后端電池溫度高，引起電池組溫度出現(xiàn)分布不均勻現(xiàn)象。同時，在流場前端，流道間空氣流速不斷衰減，使得冷卻空氣自下而上的散熱能力逐漸減弱，造成電池6～10 出現(xiàn)頂部溫度較底部溫度高的現(xiàn)象；而在流場后端雖然電池間流速較高，但隨著空氣不斷與電池換熱，溫度逐漸升高，導致了電池1～5 出現(xiàn)底部溫度較頂部溫度低的現(xiàn)象。因此，整個電池組的高溫區(qū)域聚集在前端頂部，低溫區(qū)域則聚集在后端底部。此時電池組的最高溫度Tmax為312.41 K，電池間最大溫差ΔT為12.42 K，已經(jīng)遠遠超出了電池放電的適宜溫度區(qū)間。

圖4 初始模型截面速度云圖

為了降低電池組最高溫度和溫差，本文在電池組冷卻流道下方添加了擾流板，以改變流場分布。

2.3 擾流板的數(shù)量和位置對電池組散熱性能的影響

為了簡化研究過程，擾流板的傾斜角度α 和高度h分別設(shè)置為50°和5 mm，擾流板厚度設(shè)為0.5 mm，同時假設(shè)各單體電池在仿真模型中均加載體熱源值20 993 W/m3，并采用穩(wěn)態(tài)研究。由于擾流板數(shù)量和位置的不同，定義初始模型(無擾流板)編號為M0，定義不同的模型編號為Mn-x,y,z，其中M 表示模型，n表示擾流板數(shù)量，x、y、z分別表示擾流板位置。如M3-5,6,8表示3 塊擾流板分別位于電池5、6 和8 下方。

2.3.1 單擾流板對電池組散熱性能的影響

本節(jié)研究了單擾流板的不同安裝位置對空氣冷卻系統(tǒng)的影響。圖5(a)展示了電池組最高溫度和電池間的最大溫差隨擾流板安裝位置的變化曲線。圖中橫坐標M1-1～M1-10分別表示單塊擾流板位于電池1～10 下方，M0表示原始模型即無擾流板的情況。由圖可知，隨著擾流板的安裝位置逐漸向空氣進口靠近，電池熱管理系統(tǒng)的最高溫度和最大溫差均呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢，且均在擾流板位于電池7 下達到最低，此時電池組的Tmax為308.55 K，ΔT為8.70 K。相比于未安裝擾流板的情況，電池的最高溫度和最大溫差均有明顯的降低。圖5(b)為M0、M1-2、M1-7、M1-10的流道平均流速對比，當擾流板在電池2 下時，擾流板比較靠近電池組的低溫區(qū)域，在該位置增加擾流板僅對電池組的低溫區(qū)域空氣流速產(chǎn)生一定的影響，而不能對電池組高溫區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。因此在擾流板位于電池1～3 下時，與初始模型相比電池的溫度未產(chǎn)生明顯的差別。隨著擾流板位置進一步向空氣進口處靠近，擾流板對電池組高溫區(qū)域產(chǎn)生的影響逐漸變大。在M1-7中流道1～6 的空氣平均流速低于初始模型，而流道7～11 中的空氣流速均高于初始模型，從而使得電池熱管理系統(tǒng)對電池組的散熱特性得到一定的改善。然而，當擾流板位于電池10下時電池組的最高溫度和最大溫差反而較初始模型更高，這是由于在靠近空氣入口處安裝擾流板會對其后方電池間空氣流動起到阻礙作用，導致其流道中的空氣流速大幅降低。

圖5 單擾流板在不同位置下的電池組最高溫度和電池間流道流速

以上研究表明將擾流板放在適當?shù)奈恢每梢栽黾与姵叵鋬?nèi)流場的均勻性，從而改善電池組的散熱性能。同時，在電池1～3 下安裝擾流板對電池熱管理系統(tǒng)的影響非常小，因此在下面的研究中，本文未對擾流板安裝于電池1、2 和3 下系統(tǒng)的散熱特性作進一步研究。

2.3.2 雙擾流板對電池組散熱性能的影響

圖6 為雙擾流板在不同位置下的電池組溫度變化曲線，圖中橫坐標縮略為兩塊擾流板各自的位置，如橫坐標中4,5表示為擾流板分別安裝在電池4 和5 下。由圖6 可知，擾流板不同的位置和組合會對系統(tǒng)的冷卻性能產(chǎn)生較大的影響。對各模型進行對比可知雙擾流板與單擾流板的冷卻結(jié)果較為相似，擾流板位于電池7 附近的組合所表現(xiàn)出的冷卻效果較好。其中M2-5,7的最高溫度為308.59 K，電池溫差為8.67 K，散熱性能最佳，相比于初始模型，電池組的Tmax降低了3.82 K，ΔT降低了3.75 K。模型M2-4,10、M2-5,10、M2-8,10和M2-9,10的最高溫度和最大溫差均要較初始模型高，這是由于在電池組進氣口布置擾流板會在一定程度上降低尾部流場和擾流板后端流道的空氣速度，引起冷卻不均勻而導致的。

圖6 雙擾流板在不同位置下電池組的溫度變化曲線

由圖6 可知，在進氣口附近即電池9 和電池10 下布置擾流板不僅沒有改善流場分布，使電池組的最高溫度和最大溫差降低，反而較未安裝擾流板時更高，導致電池熱管理系統(tǒng)的冷卻性能出現(xiàn)明顯的降低，因此在安裝三塊擾流板的研究中，本文未對空氣進口附近鋪設(shè)擾流板的情況進行討論。

2.3.3 三塊擾流板對電池組散熱性能的影響

圖7 為三塊擾流板在不同位置時電池組的溫度變化曲線，圖中橫坐標縮略為三塊擾流板各自的位置，如橫坐標中4,5,6 表示為擾流板分別安裝在電池4、5 和6 下方。圖7 中，模型M3-5,6,8的冷卻效果最好，此時電池組最高溫度為308.18 K，電池間溫差為8.25 K。模型M3-4,5,6和模型M3-4,7,8的冷卻性能相對較差，這是由于擾流板相距過近或者離空氣進口較近使空氣流場分布均勻性變差導致的。

圖7 三擾流板在不同位置下電池組的溫度變化曲線

圖8 為模型M0、M3-4,5,6、M3-4,7,8、M3-5,6,8截面的速度云圖。由圖8(b)可知，當擾流板全部集中于流場后端時，擾流板的安裝未對前端的空氣分布產(chǎn)生較大的影響。由圖8(c)可知，當連續(xù)的兩塊擾流板位于流場中時，會使得其后方的2 塊電池間空氣流速顯著下降，進而導致電池6 頂部產(chǎn)生高溫區(qū)域。當擾流板被安裝在電池5、6、8 下方時，由圖8(d)可知此時電池組前端流道的空氣流速較初始模型有明顯增加，電池組中的氣流速度分布較其他模型更為均勻，但是流道7 和流道11 中仍存在低流速區(qū)域，這也導致電池5、6 和10 的頂部較電池組其他部分的溫度高。

圖8 三擾流板在不同位置下的截面速度云圖

2.4 擾流板傾斜角度對電池組散熱性能的影響

本節(jié)分析了擾流板的角度α 對電池熱管理系統(tǒng)冷卻性能的影響。設(shè)置α 范圍為20°～90°，間隔為10°。電池組的最高溫度和最大溫差隨擾流板安裝角度的變化曲線如圖9 所示。由圖可知，隨著擾流板傾斜角度的增加，電池組的最高溫度和最大溫差呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當α=40°時，達到最小值，此時電池組的Tmax為307.97K，ΔT為8.03 K，冷卻效果最好；與α=90°時相比，電池組最高溫度和最大溫差分別降低了0.78 和0.75 K。在下面的研究中，擾流板的傾斜角度均設(shè)置為40°。

圖9 不同傾斜角下電池組的溫度變化曲線

2.5 擾流板的高度優(yōu)化

本節(jié)中進一步研究了擾流板高度對于電池組內(nèi)空氣流場的影響。通過2.3.3 節(jié)發(fā)現(xiàn)，冷卻性能最優(yōu)的模型中，電池組的高溫區(qū)域集中在電池5、6 和10 頂部，因此本節(jié)中在電池10 下方額外布置一個擾流板。根據(jù)前文研究結(jié)論，前擾流板的高度不應較高，否則將對其后端冷卻流道的氣流速率產(chǎn)生較大影響，因此，擾流板10 和擾流板8 的高度設(shè)置為2～4 mm，步長為1 mm。另外，由于前擾流板會對空氣流動產(chǎn)生一定的阻力，后擾流板的高度不應設(shè)置得過低，因此擾流板6 的高度設(shè)置為3～9 mm，步長為2 mm，擾流板5 的高度設(shè)置為5～9 mm，步長為2 mm。擾流板的高度組合和仿真結(jié)果見表2中。

表2 擾流板在不同高度下的仿真結(jié)果

結(jié)果表明，模型8 即當擾流板5、6、8、10 的高度分別為5、9、4 和2 mm 時的散熱系統(tǒng)冷卻性能最好，此時電池組流道1～5 流速較初始模型低，流道6～11 的空氣流速明顯高于初始模型，電池組的速度分布相比初始模型更加均勻。這說明適當調(diào)節(jié)擾流板的高度能較大地改善空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)的冷卻性能。優(yōu)化后的電池組較初始模型有更高的溫度均勻性，此時電池組的Tmax為306.37 K，ΔT為6.28 K，與原始模型相比，分別下降了6.04 和6.14 K(49.4%)。

2.6 擾流板長度對電池組散熱性能的影響

本節(jié)研究了擾流板在不同長度時對電池組溫度分布的影響，擾流板始終關(guān)于電池組x方向中心線對稱，其余布置采用與2.5 節(jié)相同的設(shè)定。圖10 為安裝不同長度擾流板時的電池組溫度曲線。由圖可知，電池組的散熱量隨著擾流板長度的增加而升高，與53 mm 長的擾流板相比，安裝69 mm 擾流板時電池組的最高溫度降低了0.73 K，最大溫差下降了0.87 K，與初始模型相比，這一數(shù)值為6.24 K，極大地提高了電池組的溫度均勻性。這可能是因為長擾流板對電池組內(nèi)空氣流動的擾動更大，從而更好地改善了氣流的速度分布。

圖10 電池組溫度隨擾流板長度變化曲線

3 結(jié)論

本文基于Z 型電池組空氣冷卻熱管理系統(tǒng)，研究了在電池組中安裝擾流板對其冷卻性能的影響特性，得出了如下的結(jié)論：

(1)擾流板的數(shù)量和位置對空氣冷卻散熱系統(tǒng)的散熱性能有較大影響。當擾流板位于進氣口附近和尾端流場附近時，散熱系統(tǒng)性能相對較差。采用三個擾流板時，擾流板分別位于電池5、6、8 下的電池組可以實現(xiàn)最佳散熱效果。另外，隨著擾流板傾斜角度的增加，散熱系統(tǒng)的冷卻性能呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，當傾斜角度為40°時，電池組的最高溫度與最大溫差均達到最小值。

(2)合適的擾流板高度可以增強散熱系統(tǒng)的冷卻性能。當四個擾流板分別位于電池5、6、8、10 下且高度分別為5、9、4 和2 mm 時，電池組的最高溫度和最大溫差達到最低，分別為306.37 和6.28 K，相比于初始模型，其ΔT降低了49.4%。

(3)擾流板的長度會影響風冷系統(tǒng)的散熱性能，擾流板長度越長，系統(tǒng)散熱量越高，電池組溫度均勻性越好，相比于無擾流板結(jié)構(gòu)，帶長擾流板的電池組風冷散熱系統(tǒng)的最大溫差降低了50.23%。

在電池組中安裝擾流板，有效地提高了空氣冷卻式電池熱管理系統(tǒng)的散熱性能，本文可以為電池組風冷散熱系統(tǒng)提供設(shè)計參考。