空冷鋰離子電池包散熱特性的數值模擬研究

王紅民 周南昕 上官文斌

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

鋰離子電池具有比功率高、充電時間短、記憶效應不明顯等優點，近年來被廣泛用于電動汽車和能量儲存系統中。鋰電池充放電的過程中產生的熱量，如果不及時排出，就會導致電池溫度升高，從而影響電池的使用性能和壽命，甚至會導致電池爆炸，所以對電池進行熱管理，使其工作在最佳溫度范圍內，且保證電池包內每個電池單體的溫度偏差在允許范圍內是非常必要的。近年來，電池熱管理已成為電動汽車領域的研究熱點之一。電池散熱系統主要分為風冷、液體冷卻和相變材料冷卻三種類型，其中風冷系統結構簡單、成本低廉，且安全可靠性好，得到了廣泛應用。本文以36節26650型磷酸鐵鋰電池組成的電池包為研究對象，利用FLUENT軟件分析電池包環境溫度、放電倍率和空氣流速對電池包平均溫度影響情況，并對電池包內各單體電池溫度偏差進行模擬，旨在對冷風散熱系統進行優化與推廣[1]。

1 電池生熱、物理參數的確定、建模及網格劃分

本文研究的電池包由36個單體電池組成，排列成4行，每行9個，順列布置，并對其進行編號，如圖1所示。冷卻空氣從左側進風口進入電池包，對電池進行冷卻后，從右側出風口流出。用ICEM軟件進行網格劃分，采用非結構化網格。對網格進行獨立性驗證后，選取網格總數為156萬左右，平均質量為0.79，并在電池表面加載邊界層。在FLUENT軟件中，設定材料參數，邊界條件和內熱源，松弛因子設定為默認值，求解算法使用simple離散算法[2]。在Spatial Discretization（空間離散化）中，壓力項選擇二階，動量和能量項選擇二階迎風離散格式，湍流模型則選用k-omega模型。對空冷電池包進行了二維數值模擬，數值模擬結果中，取各單體電池表面上的最高溫度，作為單體電池的溫度。

圖1 電池箱結構

2 結果及分析

2.1 放電倍率對電池包內溫度影響

設定環境溫度為25℃，進口風速為5m/s，電池包分別以5C、10C和15C的放電倍率恒流放電，放電倍率對電池包內溫度場的影響，如圖2所示。

圖2 不同放電倍率對電池包溫度的影響

可以看出，環境溫度和風速一定的情況下，隨著放電倍率的增大，電池包平均溫度升高，這是因為放電倍率增大時，電池包內每個單體電池的放電電流都增大，放出的熱量增多。放電倍率由5C增大到10C時，電池包平均溫度由27.39℃升高到了35.46℃，溫度提升了8.07℃；放電倍率由10C再進一步升高到15C時，電池包平均溫度由35.46℃升高到了49.15℃，溫度提升了13.69℃。可見，隨著放電倍率的增大，電池包平均溫度增速更快，由電池的生熱方程可得出，焦耳熱與電流的平方成正比，而可逆反應熱與電流成正比，所以放電倍率增大時，焦耳熱會快速增大。

在外部環境溫度為25℃，進風口風速為5m/s的情況下，不同放電倍率情況下的電池溫度分布情況如圖3～圖5所示。通過對比可見，三種情況下溫度分布幾乎完全相同，即編號為18、19、22、23、26、27、30和31的單體電池溫度最高，其原因為這些單體電池都處于電池箱的后部中心位置，散熱條件較差。

2.2 環境溫度變化對電池包內溫度分布影響

在放電倍率和冷卻空氣風速一定的條件下，當環境溫度升高，即冷卻空氣溫度升高時，電池與空氣間的傳熱溫差減小，冷卻空氣帶走的熱量減小，從而導致電池溫度升高，具體實驗數據如圖6所示。

此時放電倍率為10C，進口風速為5m/s，當環境溫度從25℃升高到30℃、35℃時，電池包的平均溫度分別從35.46℃升高到了40.45℃、45.41℃。通過實驗圖可以發現，當其他條件相同時，環境溫度升高的度數和電池包平均溫度升高的度數幾乎相同，這是因為電池放電時生成的熱量一部分被冷卻空氣通過對流傳熱的方式帶走，另一部分則導致電池本身的溫度升高，而這兩部分的溫差相同。

圖3 5C放電倍率電池溫度分布云圖

圖4 10C放電倍率電池溫度分布云圖

圖6 外部環境溫度對電池包溫度的影響

在放電倍率為10C，進口風速為5m/s的情況下，不同溫度環境下的電池包內部溫度變化云圖如圖7～圖9所示。可以看出，環境溫度變化時，電池包內溫度最高點和最低點的溫度都處于同一位置，即環境溫度變化時，電池包內各單體電池的溫度場基本一致。這說明電池包內，冷卻空氣的流場和溫度場變化不大。

圖7 25℃環境溫度下電池包內溫度分布云圖

圖8 30℃環境溫度下電池包內溫度分布云圖

圖9 35℃環境溫度下電池包內溫度分布云圖

2.3 冷卻空氣流速變化對電池包內溫度分布影響

當電池放電倍率為10C，環境溫度保持在25℃時，分析冷卻空氣流速對電池包內平均溫度影響。經實驗分析可得，隨著風速增大，電池包的平均溫度會降低，這主要是對流換熱系數增大引起的。且隨著風速的增大，平均溫度下降幅度越來越小，具體情況如圖10所示。

如圖10所示，當平均風速由1m/s升高到3m/s時，電池包平均溫度由49.38℃降到了38.53℃，溫度下降了10.85℃；當風速由7m/s增加到9m/s時，平均溫度由33.85℃降到了32.91℃，溫度僅下降了0.94℃。所以選擇最佳風速時，不但要考慮風速增加對電池的冷卻效果，而且也應考慮風速增大時風機消耗電能的增加。

圖10 不同風速對電池包溫度的影響

同上述實驗類似，在保持放電倍率與外部溫度不變的情況下，對不同冷卻風速下的電池包溫度分布情況進行分析，如圖11～圖12所示。風速為1m/s時，電池包內溫度最高的區域位于電池包出風口處的中間位置，電池編號為30、35。隨著風速的增大，最高溫度的位置逐漸向進風口的方向移動。當風速為9m/s時，溫度最高的單體電池編號為18、22，這是由于風速增加時，電池箱的出風口處流通截面積減小，最后一排電池附近產生的回流不明顯，使得冷卻空氣流速向入口處移動，導致溫度最高的單體電池位置也向入口的方向移動。

圖11 風速1m/s時電池包內溫度分布云圖

圖12 風速5m/s時電池包內溫度分布云圖

圖13 風速9m/s時電池包內溫度分布云圖

3 結論

本文以36節26650型磷酸鐵鋰電池組成的電池包為對象，研究了不同放電倍率、環境溫度和空氣流速對電池包平均溫度的影響，具體結論如下：

（1）當環境溫度和冷卻空氣流速一定時，隨著放電倍率的增大，電池包內單體電池的平均溫度升高，溫度最高的單體電池的位置維持不變。

（2）當放電倍率和冷卻空氣流速一定時，隨著環境溫度的升高，每個單體電池溫度也升高，且升高值和環境溫度升高值相當，溫度最高的單體電池的位置維持不變。

（3）當環境溫度和放電倍率一定時，隨著冷卻空氣流速的增大，電池包內平均溫度降低，但是電池包內溫度最高的電池單體的位置向冷卻空氣入口的方向移動。