汪繽繽，李素平，胡緒照

(巢湖學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 巢湖，238000)

隨著全球能源危機(jī)和城市空氣污染的嚴(yán)重，新型能源和清潔能源的使用被政府所提倡。電能作為一種清潔能源，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、移動通信、家電、工廠制造業(yè)等諸多領(lǐng)域。鋰離子電池由于其具有能量高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為眾多電動設(shè)計(jì)產(chǎn)品的主要儲能裝置[1-2]。但是鋰離子電池在使用過程中，會產(chǎn)生大量的熱量，從而引起電池溫度升高。已有研究證明，鋰離子電池的最高工作溫度應(yīng)在313 K以下。同時，為了使電池單體之間的工作性能和壽命均衡，各個電池單體之間的溫差應(yīng)低于5 K[3]。因此，鋰離子電池在使用過程中通常會配置相應(yīng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，使電池的溫度保持在合適的溫度范圍之內(nèi)。

通常使用的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有空氣冷卻，液體冷卻，相變冷卻，或者多種方式結(jié)合的混合式冷卻。在各種電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，空冷具有結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電池包的熱管理系統(tǒng)[4]。近年來，對電池能量密度要求越來越高，優(yōu)化空氣冷卻方案和探索新的冷卻方法引起人們廣泛關(guān)注。

E等[5]采用CFD方法，研究了由60塊18 650型圓柱鋰離子動力電池組成的電池包在氣流入口和出口的相對位置不同時的熱特性。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口置于電池包不同側(cè)面時，冷卻性能均優(yōu)于相同側(cè)面的情況。CHEN等[6]設(shè)計(jì)了并聯(lián)式風(fēng)冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，采用流阻網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算冷卻通道內(nèi)的氣流速度，并對電池間距進(jìn)行優(yōu)化，使冷卻通道間的氣流速度更加均勻。結(jié)果表明，優(yōu)化后的電池模組最高溫度降低了約4.0 K，不同進(jìn)氣速率下電池最大溫差降低69%以上。李康靖等[7]利用CFD方法，探究了電池排布方式、電池間距及進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速對風(fēng)冷式18 650型圓柱鋰離子動力電池包散熱效果的影響，仿真結(jié)果表明，當(dāng)電池以2 C放電，電池間距為4 mm時，電池組的溫度均勻性達(dá)到最優(yōu);同時，提高進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速能顯著提升電池包的散熱效果，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到4 m/s時，電池組的最高溫度為307.2 K。馬永笠等[8]在電池模組兩邊各安裝1臺鼓風(fēng)機(jī)，根據(jù)最高溫度和溫差控制雙向鼓風(fēng)機(jī)交替工作?；贔LUENT對鋰離子電池組仿真發(fā)現(xiàn):使用風(fēng)冷散熱后電池溫度分布均勻，電池組整體溫度保持在298～318 K，最大溫差保持在指定溫度范圍內(nèi)。袁征等[9]研究了進(jìn)風(fēng)速度、進(jìn)風(fēng)口傾斜角度及電池間距對鋰離子電池包散熱的影響，并采用單因素分析與正交試驗(yàn)對鋰離子電池包進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明，進(jìn)風(fēng)速度為15 m/s、進(jìn)風(fēng)口傾斜角度為8°且電池間距相同時，電池包的散熱效果最好，最高溫度降低11.81%，溫差降至允許溫差范圍以內(nèi)。

本文針對由48塊18 650型圓柱鋰離子動力電池組成的電池包的風(fēng)冷散熱情況進(jìn)行研究，討論入口風(fēng)速為1～6 m/s，入口溫度為292.15～304.15 K以及3種不同入口數(shù)量時，電池模組放電過程中的最高溫度和最大溫差的變化情況。

1 數(shù)值模擬和電池模型

1.1 風(fēng)冷模型

風(fēng)冷電池模組結(jié)構(gòu)如圖1所示。在1個電池包中，3排18 650型圓柱鋰離子電池呈軸向布置。每排電池有16個電池以4×4平行排布，電池之間的間距為24 mm。空氣被風(fēng)扇驅(qū)動，從空氣入口進(jìn)入電池模組，并從空氣出口流出，帶走電池模組中的熱量，冷卻電池。

圖1 風(fēng)冷電池模組結(jié)構(gòu)

圖2所示為3種不同入口布置電池模組，分別為單入口、雙入口和三入口。單位時間內(nèi)進(jìn)入電池模組中的冷卻空氣體積流量V為

圖2 不同入口布置的電池模組

V=v×S

(1)

其中：v為入口風(fēng)速；S為入口面積。研究不同入口布置對電池冷卻的影響，采用控制變量法，保持不同方案中空氣的體積流量一致，調(diào)節(jié)入口風(fēng)速v，研究不同入口布置對電池溫度分布的影響。

1.2 控制方程

本文利用Fluent meshing對電池模組模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖3所示。其中，設(shè)置邊界條件時，風(fēng)扇入口設(shè)置為Velocity inlet，出口設(shè)置為Pressure outlet，其余壁面設(shè)置為Wall。

圖3 電池模組網(wǎng)格圖

本文基于CFD軟件Fluent18.2對電池模組的放電過程和空冷進(jìn)行仿真，采用k-w模型，控制方程如下[5]。

連續(xù)性方程:

(2)

動量守恒方程:

(3)

能量守恒方程:

(4)

采用基于CFD軟件Fluent18.2對控制方程組進(jìn)行求解。在CFD分析中，忽略空氣的浮力效應(yīng);基于雷諾數(shù)，在強(qiáng)迫風(fēng)冷的情況下，采用k-w湍流模型。

1.3 電池生熱方程

為了得到電池內(nèi)的溫度分布，電池的熱傳導(dǎo)能量守恒方程可以寫成[10]:

(5)

其中：q和cp是電池的密度和比熱容；kx，ky和kz分別為x，y和z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；Qv為電池產(chǎn)熱率，包含化學(xué)反應(yīng)生熱和內(nèi)阻生熱。Qv可以寫成:

(6)

其中：I，T和Uoc分別為電流、電池溫度和開路電壓；dUoc/dT是電池的熵?zé)嵯禂?shù)。

2 結(jié)果和討論

仿真計(jì)算設(shè)定的條件為環(huán)境溫度298.15 K，鋰離子電池3 C恒流放電，放電時間為1 200 s。溫度傳感器放置在3個不同的位置，分別為電池正極附近，負(fù)極附近及電池中間，如圖4所示。電池放在溫度控制箱里。將數(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果取電池正負(fù)極和中間溫度的平均值。很明顯，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱源的計(jì)算方法是準(zhǔn)確的，CFD方法可行且數(shù)值模型可靠。

圖4 電池溫度測試實(shí)驗(yàn)

1—仿真結(jié)果;2—試驗(yàn)結(jié)果;3—誤差

2.1 入口流速的影響

單入口電池模組的入口溫度為298.15 K，在不同入口流速時，其最高溫度和最大溫差隨時間的變化如圖6所示。從圖6可見：電池模組的最高溫度和最大溫差隨著放電時間逐漸增加，600 s后增加速度減小，最后在放電結(jié)束時達(dá)到最高溫度和最大溫差。同時，電池的最高溫度隨著入口風(fēng)速的增加逐漸減小。當(dāng)入口風(fēng)速為3 m/s時，電池模組放電結(jié)束時的最高溫度為311.78 K，與入口風(fēng)速為1 m/s時相比，減小了5.45 K；當(dāng)入口風(fēng)速從3 m/s增加為6 m/s時，電池模組放電結(jié)束時的最高溫度為308.05 K，減小了3.75 K；當(dāng)入口風(fēng)速為3 m/s時，電池模組放電結(jié)束時的最大溫差為8.98 K，雖然隨著入口風(fēng)速的增大逐漸減小，但是在入口風(fēng)速為6 m/s時，最大溫差為7.03 K，始終大于5 K。因此，增加入口風(fēng)速對于減小電池模組最大溫差的作用較小。

1—1.0 m/s;2—2.0 m/s;3—3.0 m/s;4—4.0 m/s;5—5.0 m/s;6—6.0 m/s

當(dāng)入口風(fēng)速為3 m/s時，電池模組的溫度從空氣入口向出口逐漸遞減，這是由于空氣經(jīng)過前2排電池后，溫度已經(jīng)升高，從而對第3排電池的冷卻作用減弱，如圖7(a)所示。同時，在同一排電池中，中部電池的溫度低于四周的溫度，最高溫度出現(xiàn)在四角處，如圖7(b)所示。冷卻空氣主要從電池模組中部流動，由于四周空間較小，冷卻空氣流動量較少，如圖8所示。因此，電池模組四周電池被空氣帶走的熱量較少，使得其溫度高于中部溫度。

(a)單入口電池模組溫度分布云圖 (b)出口處溫度分布云圖

(a)單入口電池模組流線圖 (b)出口處流線圖

2.2 入口溫度的影響

當(dāng)單入口電池模組的入口速度為3 m/s，入口溫度不同時，電池模組的最高溫度和最大溫差隨時間的變化情況如圖9所示。從圖9(a)可以看出，當(dāng)入口溫度不同時，電池最高溫度隨時間的變化曲線基本平行，同時，隨著入口溫度的減小，最高溫度也隨之減少。值得注意的是，最高溫度的變化量與入口溫度的變化量基本相同。當(dāng)入口溫度為301.15 K時，電池放電過程中的最高溫度將大于313.15 K，超過電池的合適工作溫度。從圖9(b)可以看出，增加入口溫度可以略微減小電池模組的溫差。電池模組中溫差大，通過改變?nèi)肟跍囟葘Ω纳齐姵啬＝M溫度分布一致性的作用較小。

(a)最高溫度 (b)最大溫差

2.3 入口風(fēng)扇數(shù)量的影響

當(dāng)入口溫度為298.15 K時，單入口、雙入口和三入口的入口風(fēng)速分別為3.0，1.5和1.0 m/s，由公式(1)可知，不同電池模組的體積流量相同。隨著入口數(shù)量的增加，電池模組的最高溫度有所減小。與單入口方案相比，雙入口和三入口方案在放電結(jié)束時的最高溫度分別減小了0.53 K和1.64 K，如圖10所示。對于最大溫差的變化，雙入口方案的溫差相比于單入口方案有所增加，放電結(jié)束時最大溫差增加了0.45 K，而三入口相比于單入口方案最大溫差在放電結(jié)束時減小了1.58 K。

(a)最高溫度 (b)最大溫差

雙入口和三入口的溫度分布云圖如圖11所示。雙入口時，有一半空氣從側(cè)面風(fēng)扇入口進(jìn)入電池模組，沒有經(jīng)過第一排電池，因此，對電池后部進(jìn)行了冷卻，減小了電池模組的最高溫。但是，由于側(cè)面風(fēng)扇入口風(fēng)速為1.5 m/s，并且與電池的距離較近，使得側(cè)面風(fēng)扇附近的電池溫度較低，從而加大了電池模組的溫差。三風(fēng)扇入口時，2/3空氣從兩邊的側(cè)面風(fēng)扇進(jìn)入電池模組，使得電池模組后方的溫度更低，甚至低于第一批電池溫度。同時，由于側(cè)面風(fēng)扇的速度較低，因此，側(cè)面風(fēng)扇附近的電池溫度與雙入口的電池溫度相比較高，使得電池模組的溫差減小。

(a)雙入口溫度 (b)三入口溫度

雙入口方案和三入口方案與單入口方案相比，電池模組后方的空氣流動速度大于第一批電池的流速，如圖8(a)和圖12所示。因此，電池模組后方電池的冷卻作用強(qiáng)于單入口方案時電池的冷卻作用。但是雙入口只有一側(cè)有風(fēng)扇，所以，空氣氣流多集中在電池模組一側(cè)，使得電池模組另一側(cè)的空氣氣流較少，電池溫度較高。而三入口方案中，兩側(cè)電池對稱布置，電池模組中的空氣流動較為均勻，因此，對電池模組的冷卻效果更好，并且降低了電池模組的溫差。

(a)雙入口的流線圖 (b)三入口的流線圖

3 結(jié)論

本文基于CFD方法，研究了風(fēng)冷對48個18 650型圓柱鋰離子動力電池組成的電池包的散熱效果，探討了不同入口速度、入口溫度和入口數(shù)量的影響。

1)隨著入口風(fēng)速的增加，電池模組的最高溫度和最大溫差降低，但是當(dāng)入口風(fēng)速大于3 m/s后，降低速度明顯減小。

2)增加入口溫度，可以有效降低最高溫度，但是對電池模組的溫差影響很小。

3)增加入口數(shù)量可以減小電池模組的最高溫度和最大溫差。與單入口方案相比，三入口方案的最高溫度和最大溫差分別降低了1.64 K和1.58 K，但是最大溫差依然大于5 K。