電池組風冷系統結構設計與仿真優化研究*

方 凱，徐 屾，湯玉婷

(上海工程技術大學 汽車工程學院,上海 201620)

0 引 言

隨著石油資源的枯竭和排放法規的日趨嚴格，新能源車已經成為了不可阻擋的趨勢。鋰電池，因其自身具有能量密度高、使用壽命長、自放電率低等一系列優點，成為目前新能源車動力電池的首選。一般認為，鋰電池的高效工作溫度區間為0 ℃～40 ℃，電池組之間的溫差最好控制在5 ℃以內[1-2]。鋰電池長時間在高溫環境下工作，容量和使用壽命均會大大縮減。若電池組未采取合適的熱管理措施，在某些極端情況下，甚至會引起熱失控，引發危險事故[3-4]。所以，針對動力電池組而言，引入合適的熱管理方法是很必要的。

電池組冷卻可大致分為水冷、風冷和相變材料冷卻，本文采取的冷卻措施為風冷。眾多學者對風冷結構做了大量的研究。陳磊濤等[5]對電池箱體的設計提出了兩種局部結構變動途徑：一種是改變通道的寬度，另一種是改變空氣進出口處集流板的傾斜角度。兩種方法分別對應調節的是速度和壓力。在對不同流道寬度和集流板傾斜角度聯合模擬后，得出流道寬度遞減值為1.5 mm、集流板傾斜角度為4°時電池組流道的流速分布最為均勻。梁金華[6]通過在不同通道加裝楔形裝置以改變不同流道的風速。Rajib Mahamud等[7]設計了一種新型的風冷裝置，該裝置可周期性地變換進風口和出風口，當以120 s為變換周期時，電池組最高溫度相比沒有變換進出口時降低了1.5 ℃，電池組溫差降低了72%。

為改善電池組溫度均勻性，本文設計一種單進四出的箱體結構，在4個出風口按照一定規律開閉時，可以主動引導冷卻介質通過設定的流道，從而可以對電池組中溫度較高的電池采取主動控制。

1 相關模型

1.1 電池生熱公式

在實驗計算上較常應用的公式為Noboru Sata[8]生熱速率公式：

Q=Qr+Qs+Qp+Qj

(1)

式中：Qr—化學反應熱；Qp—極化反應熱；Qj—歐姆熱；Qs—副反應熱。

在一般研究中，只考慮因極化內阻和歐姆內阻產生的熱量，有：

Qp=I2Rp

(2)

Qj=I2Rj

(3)

式中:I—電池充放電電流，A；RP，Rj—極化內阻和歐姆內阻，Ω。

本文研究的電池參數如表1所示。

表1 電池相關參數

1.2 電池傳熱控制方程

在流動與傳熱問題求解中所需求解的主要變量(速度及溫度等)的控制方程的通用形式[9]為：

(4)

式中：φ—通用變量，可代表u,v,w,T等求解變量；Γφ—廣義擴散系數；Sφ—廣義源項。

1.3 均勻送風原理

對于風冷電池組，在忽略電池組與外界空氣和電池組之間通過熱傳導傳遞的熱量時，要實現電池組溫度一致性良好的目標，各個流道的流速要盡可能地均勻。根據流體力學原理，要保證每個等截面出風口的出風速度相等，基本條件是各側孔的靜壓相等，即主管全長上的靜壓保持不變[10]。根據伯努利方程，對于流道內的兩個相鄰截面有：

(5)

當Pi=Pi+1時，則：

(6)

式中:Pi—第i或i+1截面的靜壓，Pa；vi—第i或i+1截面的流速，m/s；ΔPq—兩截面之間的全壓損失，Pa；ρ—空氣密度。

由式(5)可見，任意兩截面之間保持靜壓相等的條件是兩截面之間的動壓降等于兩截面之間的阻力損失。通常情況下，式(5)的右端大于左端，若要滿足兩端相等，其截面積沿流動方向應逐步減小。風口垂直于風管壁面方向的靜壓速度(單位：m/s)為：

(7)

通過側孔的風量(單位：m3/s)：

L0=μf0vj

(8)

空氣通過側孔的平均速度(單位：m/s)：

(9)

式中：μ—側孔的流量系數；f0—側孔的面積。

2 風冷流道系統設計

本文設計了包含1個進風口和4個出風口的電池組箱體結構。4個出風口可按照一定規律打開、關閉。本文將著重考察4個出口不同開閉狀態時，電池組的溫度分布情況。箱體結構的4個出風口從上至下依次為1、2、3、4。電池從上至下依次編號為1～10。流道從上至下依次編號為1～11。

2.1 相關邊界條件

由于亞克力板(PMMA)具有較好的透光性和較低的導熱系數(0.18 W/m·K)，本研究選用亞克力板作為箱體的結構材料。入口溫度為20 ℃，風速為5 m/s,環境溫度為35 ℃，外界氣壓為標準大氣壓。在電池組與外界的溫差較低和PMMA導熱系數較小的前提下，通過箱體熱傳導傳遞的熱量可以忽略，即只考慮流道內空氣與電池間強制對流冷卻部分的熱量。

2.2 流道尺寸的確定

針對該模型，本研究對3 mm、5 mm、7 mm的流道做了3組模擬，3 mm流道的速度場如圖1所示。

圖1 3 mm流道的速度場

根據模擬結果得出：該箱體結構在流道尺寸為3 mm時，各個流道的流速最為均勻。對于3 mm的箱體模型，其4號、8號兩條低速流道是兩塊最高溫度的電池所在位置。為了提高兩條低速流道的速度，筆者采取增大其尺寸的方法，即降壓增速的方法。將該兩條流道尺寸增加到5 mm，其余流道尺寸依然為3 mm，此時電池組溫度場如圖2所示。

圖2 3 mm與5 mm混合流道尺寸下的溫度場

在該尺寸下，各個流道的速度均勻性進一步提升。除去被進風口直吹的2塊電池，其余8塊電池的最高溫度趨于一致，且最高溫度相較于3 mm間距模型進一步下降0.7 ℃。綜上，將箱體流道尺寸定為3 mm，其中4號、8號兩條流道的寸定為5 mm。下文中只把溫度場作為研究目標。

2.3 三維模型

為驗證二維模擬結果，筆者對5 mm流道的模型作了三維模擬，模擬結果如圖3所示。

圖3 5 mm流道時三維模擬與二維模擬對比圖

對比圖3(b)可以看出：最高溫度誤差為0.36 ℃。對比兩圖的溫度分布，二維模擬可以較好地展示三維模擬的結果。為減少模擬時間，以下模擬均采用二維模擬。

2.4 出風口長度對溫度場分布的影響

在確定流道寬度時，出風口的長度被設定為20 mm。為驗證出風口的長度對電池組溫度場的影響，筆者對10 mm和30 mm的出風口分別做了兩組模擬，對應的模擬結果如圖4所示。

圖4 不同長度的出風口對應的溫度場

對比圖4(a)、4(b)，可以得出，出風口的尺寸對電池組的溫度場影響較小。

3 電池箱出風口開閉策略研究

3.1 一個出風口打開時的模擬結果

箱體結構為對稱結構，故本研究僅針對1、2出口單開做了相應模擬。電池組的溫度場圖如圖5所示。

圖5 1、2出風口單開時的溫度場

由溫度場圖可以看出：8、9、10這3塊電池存在過熱的現象。1出口打開，1、2、3電池可以得到強化散熱；2出口打開時，4、5電池可以得到強化散熱。由模擬結果可知，在電池箱體內，由于風速不均勻導致的壓差在很小的范圍內，后文僅對溫度進行說明，不再對壓力作進一步研究。

3.2 4個出風口對稱開閉時的討論

兩個出風口打開時的溫度場如圖6所示。

圖6從上至下依次為1、2出口打開，2、3出口打開，3、4出口打開的溫度場圖。在2、3出口打開時，4、5、6、7電池可以得到強化散熱。從溫度分布云圖可以看出，在1、2出口打開時，1、2、3、4電池可以得到強化散熱。3、4出口打開時，7、8、9、10電池可以得到強化散熱。但2、3出口打開時，會造成多塊電池溫度較高。

1、2出口打開時的速度云圖、溫度云圖和3、4出口打開時對應的分布圖參數接近，這也驗證了對于對稱結構，可取一半作為研究對象。圖6的溫度場均是在模擬2 000 s以后達到穩態時的結果，由圖6可以得出：在以一定周期規律性地開閉4個出口時(如1、2出口和3、4出口交替開閉)，可以有效地改善電池組的溫度均勻性。

圖6 兩個出風口打開時的溫度場

通過對模型的4個出口的不同開閉情況的模擬，得出了在不同開口情況下的速度、溫度云圖。由模擬結果可以得出：通過開閉不同的出口，可以達到改變箱體結構內速度場的目的，進而可以主動地調節電池組內的溫度分布。

4 結束語

本文設計了一種帶有一個進風口和4個出風口的風冷電池箱體結構；針對不同電池間距和出風口不同的開閉情況做了相應的模擬，得出了以下結論：

(1)在同樣的入口條件下，流道尺寸為5 mm或更大時，會存在幾條流道內速度過低的現象。流道尺寸為3 mm和5 mm混合時，整個電池組的溫度均勻性最好；

(2)打開1個出風口，其他出風口關閉時，該結構可對打開的出風口臨近的2～3個電池進行強化散熱；

(3)出風口兩開兩閉的條件下，該結構可對4個電池進行強化散熱。但打開2、3出口時，雖然可對4、5、6、7電池進行強化散熱，也會致使1、2、9、10電池溫度相應增加。

本文僅對該模型的流道尺寸和4個出風口的開閉策略作了簡要分析，后期會制作實體模型，通過實驗的方式來驗證該模型的實際效果。