劉 劍，于立博，吳振興，牟介剛

（1浙江杭可科技股份有限公司，浙江 杭州 311217；2中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試與儀器學(xué)院，浙江杭州 310018）

鋰離子電池作為新能源電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ?，其熱特性管理不僅制約著電池壽命及續(xù)航里程，一旦出現(xiàn)熱蔓延，將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，引發(fā)安全隱患[1-2]。鋰離子電池，正常工作溫度范圍-20～60 ℃，理想工作溫度范圍20～40 ℃[3-4]。故鋰離子電池?zé)崽匦杂袃蓚€(gè)評(píng)判指標(biāo)，一個(gè)是單體電池最高溫度低于40 ℃，另一個(gè)是單一電池組溫差不超過(guò)5 ℃[5-6]。對(duì)于鋰離子電池后端產(chǎn)線設(shè)備行業(yè)，一般要求單一充放電設(shè)備內(nèi)單一電池組溫差不超過(guò)4 ℃。

鋰離子電池?zé)崽匦怨芾硐到y(tǒng)，按其冷卻方式主要分為風(fēng)冷、液冷、相變材料、熱管冷卻等[7-9]，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是風(fēng)冷。陳凱等[10]基于遺傳算法，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)出口導(dǎo)流板角度，降低電池組間流體速度差異，從而達(dá)到改善電池組最高溫度及最大溫差的目的。金鈺[11]通過(guò)分析電池組，對(duì)比方案的平均溫度及溫差效果，優(yōu)選出最佳電池組排列方式及風(fēng)口方案。Chen 等[12]為揭示進(jìn)出口位置對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響，提出了具有不同進(jìn)出口方案的風(fēng)冷式熱管理系統(tǒng)。

目前針對(duì)鋰離子電池的相關(guān)研究，主要集中在電池組內(nèi)部流道、電池包進(jìn)出口結(jié)構(gòu)、進(jìn)出口冷媒介質(zhì)流量參數(shù)等，對(duì)電池組平均溫升及溫度均勻性的影響規(guī)律[13-14]，針對(duì)鋰離子電池充放電設(shè)備的熱管理特性研究較為匱乏。在鋰離子電池生產(chǎn)線上，尤其是后端化成、分容充放電設(shè)備生產(chǎn)階段，其設(shè)備熱管理性能將直接決定鋰離子電池品質(zhì)。充放電設(shè)備內(nèi)電池組溫度上升，將導(dǎo)致電池電壓偏差；電池組溫度一致性不好，則會(huì)影響電池組容量標(biāo)定。最終依據(jù)其性能（電池電壓及容量等指標(biāo)），鋰離子電池將會(huì)被分成不同等級(jí)產(chǎn)品。充放電設(shè)備內(nèi)單一電池組以托盤(pán)為單位，利用強(qiáng)制風(fēng)冷進(jìn)行電池組熱特性管理，因而電池組熱特性由托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)布局共同決定?；诖耍狙芯坷脭?shù)值仿真技術(shù)，通過(guò)探討不同托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)布局對(duì)電池組溫度分布的影響，分析充放電設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)變化關(guān)系，明確電池組與周邊環(huán)境的熱交換效果。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 物理模型

簡(jiǎn)化的充放電設(shè)備模型由電池組、托盤(pán)、機(jī)構(gòu)平臺(tái)及風(fēng)機(jī)組成，如圖1 所示。電池組包含64 只4695鋰離子電池，主要參數(shù)見(jiàn)表1。電池組呈8×8方式陣列，橫向或縱向相鄰兩只鋰離子電池中心距為60 mm。托盤(pán)內(nèi)通風(fēng)孔及環(huán)形風(fēng)口用于空氣流通。每只電池對(duì)應(yīng)四個(gè)直徑為D的托盤(pán)通風(fēng)孔，對(duì)應(yīng)一個(gè)尺寸為δ的環(huán)形風(fēng)口。機(jī)構(gòu)平臺(tái)底部風(fēng)機(jī)將空氣強(qiáng)制導(dǎo)入托盤(pán)內(nèi)，通過(guò)電池組周圍通風(fēng)孔或環(huán)形風(fēng)口，帶走電池表面熱量，形成對(duì)電池組的熱特性管理。通過(guò)抽象充放電設(shè)備內(nèi)的散熱特性，確認(rèn)影響電池組熱特性的主要因素是托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)與風(fēng)機(jī)布局，本工作將基于上述兩點(diǎn)著重展開(kāi)研究。

表1 電池基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of battery

圖1 充放電設(shè)備示意圖Fig.1 Schematic diagram of charging and discharging equipment

1.2 數(shù)學(xué)模型

鋰離子電池生產(chǎn)涉及多種工藝結(jié)合，故其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)會(huì)發(fā)生各種熱、化學(xué)反應(yīng)，為了便于研究充放電設(shè)備散熱性能，對(duì)鋰離子電池單體仿真模型做相應(yīng)簡(jiǎn)化處理。鋰離子電池簡(jiǎn)化為各向異性的實(shí)心圓柱體，產(chǎn)熱恒定[15-16]。電池產(chǎn)熱計(jì)算公式[17]：

式中，q為電池?zé)崃?，W；V為電池體積，m3；I為電池電流，A；U0為電池開(kāi)路電壓，U為電池工作電壓，V；T為電池溫度，℃。

充放電設(shè)備內(nèi)熱交換過(guò)程以熱對(duì)流為主，鋰離子電池組與空氣對(duì)流關(guān)系[18]如下：

式中，Qcv為對(duì)流傳熱量，W；h為表面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為對(duì)流接觸面積，m2；ΔT為電池溫度與空氣溫度差值，℃。

流體介質(zhì)遵循連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程，如文獻(xiàn)[19]中所示。

1.3 邊界條件設(shè)置

基于壓力求解器，選用工程上更經(jīng)濟(jì)的Standardk-?湍流模型[20]，采用二階迎風(fēng)格式的Coupled算法，使用雙精度對(duì)控制方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解。空氣物性參數(shù)為常數(shù)，溫度為25 ℃，大氣壓力為常壓，氣固邊界無(wú)滑移。托盤(pán)、機(jī)構(gòu)平臺(tái)與空氣進(jìn)行自然對(duì)流散熱，對(duì)流換熱系數(shù)5 W/(m2·℃)，模擬充放電設(shè)備電池組1.5 C(45 A)倍率放電時(shí)溫度分布情況，單體電池生熱率48800 W/m3。針對(duì)電池組通道序號(hào)定義，充放電設(shè)備模型圖1(b)中，左下角為通道1，左上角為通道8，右下角為通道57，右上角為通道64，其他通道序號(hào)依據(jù)從下到上、從左到右的順序依次遞增。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證及溫升測(cè)試

利用ANSYS ICEPAK 對(duì)充放電設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行研究，對(duì)全計(jì)算域劃分適應(yīng)性強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為提高計(jì)算精度，在流固壁面交界處建立邊界層，并對(duì)其進(jìn)行加密處理?？紤]到網(wǎng)格數(shù)對(duì)仿真計(jì)算影響較大，選用4套網(wǎng)格數(shù)量驗(yàn)證電池組最高溫度及最大溫差變化趨勢(shì)，如圖2所示。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于440萬(wàn)時(shí)，電池組最高溫度及最大溫差趨于穩(wěn)定，考慮計(jì)算精度及經(jīng)濟(jì)性，最終選擇440 萬(wàn)網(wǎng)格。

圖2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性分析Fig.2 Grid independence verification

通過(guò)充放電設(shè)備測(cè)試平臺(tái)(D=20 mm，δ=0 mm，風(fēng)機(jī)正對(duì)電池，風(fēng)機(jī)數(shù)量Fan=9)，分別進(jìn)行0.5 C(15 A)、1.0 C(30 A)、1.5 C(45 A)三種倍率放電溫升測(cè)試，每只電池上表面單獨(dú)配備一只溫度傳感器，可實(shí)時(shí)采集電池上表面溫度。選取電池組中實(shí)測(cè)溫度最高的電池通道，與仿真值對(duì)應(yīng)通道進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。其中仿真值監(jiān)控點(diǎn)與實(shí)測(cè)監(jiān)控點(diǎn)一致，均為電池上表面。由圖3可知，隨著放電倍率增大，電池最高溫度逐漸上升；當(dāng)電池以1.5 C倍率放電時(shí)，電池溫度急劇上升，放電后期電池?zé)崃慷逊e，使其溫度分布超過(guò)熱管理要求。整體看來(lái)，實(shí)測(cè)值與仿真值溫度分布趨勢(shì)基本一致，兩者擬合度較好；在不同倍率下，兩者最大偏差為4.2%，表明熱力學(xué)仿真模型相對(duì)準(zhǔn)確。

圖3 不同倍率下充放電溫升曲線Fig.3 Experimental temperature rise at different discharge rates

2 托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池組熱特性的影響分析

2.1 托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

充放電設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)的空氣流體，主要通過(guò)流經(jīng)托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)帶走電池表面熱量，實(shí)現(xiàn)電池組熱特性管理。托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，包括托盤(pán)通風(fēng)口D及托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ用于空氣過(guò)流。為了探究不同托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)電池組熱特性的影響，設(shè)計(jì)如下方案：

（1）方案1研究托盤(pán)通風(fēng)孔的影響，當(dāng)δ=0 mm時(shí)，對(duì)比不同托盤(pán)通風(fēng)孔D(20 mm、22 mm、24 mm、26 mm)對(duì)電池組溫度分布及充放電設(shè)備流場(chǎng)的影響程度。

（2）方案2 研究托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口的影響，當(dāng)D=20 mm時(shí)，對(duì)比不同托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ(0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm)對(duì)電池組溫度分布及充放電設(shè)備流場(chǎng)的影響程度。

2.2 托盤(pán)通風(fēng)孔的影響

圖4 為不同托盤(pán)通風(fēng)孔對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖，由圖4可知，不同工況下電池組溫度分布趨勢(shì)一致，電池組溫度呈對(duì)稱分布，且中間區(qū)域溫度高于周邊區(qū)域。在充放電設(shè)備風(fēng)冷系統(tǒng)中，電池組作為固定熱源進(jìn)行熱輻射擴(kuò)散熱量，需利用風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)流換熱降低電池本體溫度，當(dāng)電池組內(nèi)部流場(chǎng)不通暢時(shí)，將導(dǎo)致中間區(qū)域熱量集聚，形成溫度中間高、周邊低的現(xiàn)象。

圖4 不同托盤(pán)通風(fēng)孔對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖Fig.4 Temperature distribution of lithium-ion batteries correspond to different tray vents

圖5為不同托盤(pán)通風(fēng)孔對(duì)充放電設(shè)備系統(tǒng)性能的影響。由圖5(a)可知，隨著通道數(shù)依次增大，對(duì)應(yīng)通道溫度呈現(xiàn)周期性變化；隨著D增大，電池組局部高溫出現(xiàn)明顯下降，且最大溫差顯著減小。圖5(b)則表明，托盤(pán)通風(fēng)孔D的數(shù)值大小與各工況下電池組溫升及溫度均勻性基本呈線性關(guān)系，當(dāng)D=20 mm 時(shí)，電池組最高溫度46.6 ℃(溫升21.6 ℃)，最大溫差6.3 ℃；當(dāng)D=26 mm時(shí)，電池組最高溫度42.8 ℃(溫升17.8 ℃)，最大溫差3.1 ℃。通過(guò)增大D，至多可使電池組最高溫升下降8.2%，溫度均勻性改善50.8%。由圖5(c)及(d)可知，隨著D增大，風(fēng)阻逐漸下降，通風(fēng)量則持續(xù)上升，電池組表面湍動(dòng)能緩慢提高，但總體數(shù)值較低。這說(shuō)明通過(guò)改變托盤(pán)通風(fēng)孔D，可以在一定程度上改善風(fēng)冷系統(tǒng)流場(chǎng)通風(fēng)量，從而對(duì)降低電池最高溫升、改善電池組溫度一致性有積極影響。但電池組表面湍動(dòng)能處于相對(duì)低位，說(shuō)明電池表面換熱強(qiáng)度不高，對(duì)流換熱性能不佳。因而僅通過(guò)改變托盤(pán)通風(fēng)孔，不能將電池組最高溫度控制在40 ℃以內(nèi)，說(shuō)明托盤(pán)通風(fēng)孔D對(duì)電池組的熱特性影響有限。

圖5 托盤(pán)通風(fēng)孔對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.5 The effect of tray vents on system performance

2.3 托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口的影響

圖6為不同托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖，相比于圖4，圖6 中電池組整體溫升下降更明顯，這說(shuō)明托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ比托盤(pán)通風(fēng)孔D更能影響電池組溫度分布。

圖6 不同環(huán)形風(fēng)口對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖Fig.6 Temperature distribution of lithium-ion batteries correspond to different annular vents

圖7為不同托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口對(duì)充放電設(shè)備系統(tǒng)性能的影響。由圖7(a)可知，隨著δ增大，電池組溫度波動(dòng)相對(duì)更加平緩，當(dāng)δ≥1.5 mm 時(shí)，電池組各通道溫度均低于40℃。圖7(b)則表明，托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ對(duì)電池組溫度分布的影響呈現(xiàn)非線性關(guān)系；隨著δ增大，電池組最高溫度分別為42.4 ℃、40.4 ℃、39 ℃、38.3 ℃，最大溫差分別為2.8 ℃、1.9 ℃、1.4 ℃、1.2 ℃；各工況下電池組最高溫度依次下降4.7%、3.5%、1.8%，溫度均勻性改善32.1%、26.3%、14.3%，這表明δ對(duì)電池組溫度分布的影響，隨著δ數(shù)值增大而逐漸減弱。由圖7(c)及(d)可知，不同托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ與不同托盤(pán)通風(fēng)孔D對(duì)充放電設(shè)備內(nèi)風(fēng)壓及通風(fēng)量的影響趨勢(shì)基本一致，但環(huán)形風(fēng)口δ對(duì)電池表面湍動(dòng)能的影響程度是通風(fēng)孔D的1.8 倍。綜合來(lái)看，托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口δ對(duì)電池組溫度分布的影響更顯著，甚至起關(guān)鍵性作用。造成這種現(xiàn)象的主要原因如下：①托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口緊貼著鋰離子電池外表面，可以引導(dǎo)冷空氣流經(jīng)電池表面，提升電池表面對(duì)流換熱系數(shù)，從而達(dá)到改善電池組散熱效果的目的；②托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口的引入，可以提高電池表面附近的湍流度，湍動(dòng)能強(qiáng)度的提升同樣可以導(dǎo)致傳熱率的增加，起到增強(qiáng)風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)流換熱的效果。

圖7 托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.7 The effect of different annular vents on system performance

3 風(fēng)機(jī)布局對(duì)電池組熱特性的影響分析

3.1 風(fēng)機(jī)布局方案設(shè)計(jì)

充放電設(shè)備利用風(fēng)冷降低電池的最高溫度，并改善電池組溫度均勻性。作為風(fēng)冷的主要?jiǎng)恿υ矗L(fēng)機(jī)布局的位置及數(shù)量將會(huì)顯著影響電池組換熱效率。為了探究不同風(fēng)機(jī)布局對(duì)電池組熱特性的影響，設(shè)計(jì)如下方案：

（1）方案1研究風(fēng)機(jī)位置的影響，當(dāng)D=20 mm，δ=1.5 mm 時(shí)，對(duì)比不同風(fēng)機(jī)位置對(duì)電池組溫度分布及充放電設(shè)備流場(chǎng)的影響程度，如圖8所示。

圖8 不同風(fēng)機(jī)位置布局Fig.8 Layout for different fan location

（2）方案2 研究風(fēng)機(jī)數(shù)量的影響，當(dāng)D=20 mm，δ=1.5 mm 時(shí)，對(duì)比不同風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)電池組溫度分布及充放電設(shè)備流場(chǎng)的影響程度，如圖9所示。

圖9 不同風(fēng)機(jī)數(shù)量布局Fig.9 Layout for different fan quantity

3.2 風(fēng)機(jī)位置的影響

圖10為不同風(fēng)機(jī)位置對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖，與圖10(a)相比，圖10(b)電池組局部高溫更明顯，且高溫區(qū)域明顯增多，說(shuō)明不同的風(fēng)機(jī)位置布局使電池組的溫度分布有顯著差異。

圖10 不同風(fēng)機(jī)位置對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖Fig.10 Temperature distribution of lithium-ion batteries correspond to different fan location

圖11 為不同風(fēng)機(jī)位置對(duì)充放電設(shè)備系統(tǒng)性能的影響。由圖11(a)及(b)可知，相比于風(fēng)機(jī)正對(duì)電池的工況，風(fēng)機(jī)正對(duì)通風(fēng)孔時(shí)，電池組周邊區(qū)域溫度相對(duì)穩(wěn)定，中間區(qū)域各通道溫度均有明顯上升，尤其電池組的最高溫度(39.6 ℃)趨近于40 ℃臨界點(diǎn)，最大溫差則上漲21.4%，這顯然不利于電池組的熱特性管理。圖11(c)及(d)表明，風(fēng)機(jī)正對(duì)通風(fēng)孔時(shí)，充放電設(shè)備內(nèi)通風(fēng)量提升了31.4%，這是因?yàn)轱L(fēng)道正對(duì)通風(fēng)口，充放電設(shè)備內(nèi)流場(chǎng)相對(duì)更加順暢。但風(fēng)機(jī)位置的偏移，會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)流體遠(yuǎn)離電池組表面，充放電設(shè)備內(nèi)空氣流體雖然呈現(xiàn)增加勢(shì)態(tài)，但流體并未流經(jīng)電池組表面，導(dǎo)致電池組表面對(duì)流換熱效果下降。同時(shí)電池組表面流體的減少，也致使電池組表面湍動(dòng)能呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)，再一次降低了電池組表面換熱性能。

圖11 風(fēng)機(jī)位置對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.11 The effect of different fan location on system performance

3.3 風(fēng)機(jī)數(shù)量的影響

圖12為不同風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖。由圖12 可知，不同風(fēng)機(jī)數(shù)量會(huì)導(dǎo)致電池組的溫度分布趨勢(shì)不一致；Fan=8和9時(shí)，電池組溫度分布范圍較接近，當(dāng)Fan=6和7時(shí)，電池組溫度分布范圍明顯加大，且局部高溫明顯。

圖12 不同風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)應(yīng)的電池組溫度云圖Fig.12 Temperature distribution of lithium-ion batteries correspond to different fan quantity

圖13 為不同風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)充放電設(shè)備系統(tǒng)性能的影響。由圖13(a)及(b)可知，風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)電池組的溫度分布呈現(xiàn)積極影響，隨著風(fēng)機(jī)數(shù)量增加，電池組最高溫度持續(xù)下降，且電池組溫度一致性更趨近；當(dāng)Fan=6 時(shí)，電池組最高溫度處于40 ℃臨界值；當(dāng)Fan=9 時(shí)，電池組最高溫度下降到39 ℃，溫度一致性改善30%。圖13(c)及(d)表明，風(fēng)機(jī)數(shù)量與充放電設(shè)備內(nèi)通風(fēng)量及電池組表面湍動(dòng)能呈正相關(guān)，與Fan=6 相比，F(xiàn)an=9 時(shí)，通風(fēng)量提升23.8%，電池組表面湍動(dòng)能上升21.6%，電池組表面換熱性能得到極大提升，因而電池組熱特性表現(xiàn)更優(yōu)秀。雖然Fan=6 時(shí)，電池組熱特性相對(duì)較差，但整體亦能滿足需求，而當(dāng)考慮碳排放時(shí)，風(fēng)機(jī)數(shù)量越少則意味著越能節(jié)省系統(tǒng)能耗及成本。

圖13 風(fēng)機(jī)數(shù)量對(duì)系統(tǒng)性能的影響Fig.13 The effect of different fan quantity on system performance

4 結(jié) 論

為了改善充放電設(shè)備電池組熱特性，研究了托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)及風(fēng)機(jī)布局對(duì)電池組熱特性及充放電設(shè)備流場(chǎng)的影響，研究結(jié)果表明：

（1）托盤(pán)通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)改善電池組熱特性管理有顯著影響，托盤(pán)環(huán)形風(fēng)口可將電池組表面湍動(dòng)能提升80%，對(duì)強(qiáng)化電池表面換熱性能、促進(jìn)風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)流換熱效果起關(guān)鍵作用，當(dāng)δ≥1.5 mm 時(shí)，電池組滿足最高溫度低于40 ℃且最大溫差小于4 ℃的熱特性要求；托盤(pán)通風(fēng)孔在有限范圍內(nèi)(D=20～26 mm)，不能使電池組熱特性滿足要求。

（2）風(fēng)機(jī)布局同樣影響電池組熱特性管理，相較于風(fēng)機(jī)正對(duì)電池，當(dāng)風(fēng)機(jī)正對(duì)通風(fēng)孔時(shí)，雖然通風(fēng)量提高31.4%，但并未實(shí)質(zhì)性改善電池表面對(duì)流換熱效果，反而致使電池組最高溫度趨于40 ℃臨界值，最大溫差上升21.4%。

（3）風(fēng)機(jī)數(shù)量越多，風(fēng)冷系統(tǒng)通風(fēng)量及電池表面湍動(dòng)能提升越明顯，當(dāng)Fan=6時(shí)，電池組最高溫度為40 ℃，若考慮節(jié)能需求，風(fēng)機(jī)數(shù)量處于6～8時(shí)，一方面能滿足熱特性管理需求，另一方面則有助于節(jié)省系統(tǒng)能耗，同時(shí)降低系統(tǒng)成本。