鋰離子電池組綜合對流傳熱分析

蘇科憲，余穎東，陳捷超，任詩皓，田嘉榮，申沁凱

（東莞理工學院 化學工程與能源技術學院，廣東 東莞 523808）

0 引 言

隨著全球空氣質量的急速下降和全球能源危機的加劇，眾多國家開始提倡使用新能源和清潔能源。電能作為清潔能源被廣泛應用在電車、航天、家庭電器、工業制造等領域。鋰離子電池是儲存電能的一種載體，憑借能量密度高、循環壽命長、無記憶效應等優點被應用于新能源汽車[1]。然而，許多研究表明，鋰離子電池的安全性能受充放電過程中的溫度影響較大，一般適宜工作在20～45 ℃。若因電池組設計不合理而導致散熱不佳，易造成電池溫度過高而發生意外[2]。劉振軍等針對電動汽車鋰離子電池組的散熱模型進行了仿真測試與實驗測試，結果表明若電池組內部空氣不夠流通或者換熱系數低會造成熱量積累，從而導致電池組內部溫度分布不合理[3]。

采用數值模擬的方法有助于獲取電池組內部的溫度場和流場分布信息，可捕捉內部“死流區”的位置及面積[4]。汪繽繽等采用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對48塊圓柱鋰離子動力電池組成的電池包的冷卻性能進行數值模擬，發現電池模組的散熱效果并不隨著進口風速單調遞增，當進口風速超過3 m/s時，綜合散熱和阻力的散熱效率下降明顯[5]。袁征等采用CFD軟件研究了進風速度及電池間距對鋰離子電池包散熱的影響，結果表明風速在一定范圍內可以降低電池包溫度最大值，但是風速超過一定值時電池的散熱效率會降低，而調整電池間距可以改善電池溫度一致性，并且電池間距對電池包溫度的影響更大[6]。李康靖等利用Fluent軟件對串行風冷式車用鋰離子電池包的溫度場和流場進行模擬仿真，分析了電池間距等對串行風冷散熱效果的影響，指出電池組的溫度均勻性在電池間距為4mm時達到最優，同時提高風速能提高電池包散熱效果，改善電池組的溫度分布均勻性[7]。Chen等采用了流動阻力網絡模型和傳熱模型來分析電池模組的散熱方案，并獲得了最佳電池間距[8]。

綜上所述，數值模擬有助于獲得準確的電池組風冷內部溫度場，風速及電池間距的合理配置可提高電池包散熱的對流傳熱效率。因此，下面采用CFD方法對包含8塊方型鋰離子動力電池的電池組風冷過程進行仿真研究，先后對進口空氣速度、電池間距及電池組件的結構進行分析，以獲得最優的參數配置。

1 數值模擬和電池模型

1.1 幾何模型

電池模組如圖1所示。在一個方型電池包中，有8塊方型電池橫向排列，電池模組尺寸為68 mm×165 mm×169 mm，電池間距為2～5 mm。進氣口位于電池模組左下方，低溫空氣進入電池模組后帶走電池產生的熱量，從而實現冷卻電池的效果。

圖1 電池組計算域幾何模型示意圖

當空氣出口位于電池組左上方時，稱為同側冷卻模型，見圖1（a）；當空氣出口位于電池組的右上方時，稱為異側冷卻模型，見圖1（b）。進出口尺寸為68 mm×22 mm。本文選用的電池尺寸為60 mm×15 mm×15 mm，額定電壓為3.60 V，額定容量為3 200 mAh，其余主要電池參數如表1所示[9]。

表1 電池參數

1.2 控制方程

本文采用k-ε湍流模型對控制方程組進行求解，為簡化模型，做出以下假設：（1）鋰離子電池的熱物性參數為常數；（2）空氣與電池表面的邊界無滑移；（3）對于空氣區域，除了擴散項中密度值是溫度的函數外，其他控制方程各項中的密度為常數。因此，電池組件內部空氣的無量綱連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程如下[1]：

此外，空氣導熱系數h、雷諾數Re、努塞爾數Nu及阻力系數f的關系式分別為：

式中，ΔH為電池組內的焓值變化；qm為質量流量，Tb為電池平均溫度；Ta為空氣平均溫度；Ab為電池表面積；ρa為空氣密度；uin為進口風速；d為進出口當量直徑；μ為空氣動力粘度；λ為空氣導熱系數；pout為出口空氣壓力；pin為進口空氣壓力。

1.3 模擬設置

電池間距為2 mm的模型網格數目為1 309 277，間距為5 mm的模型網格數為815 973。數值仿真設定在穩定傳熱條件下以2 C的電流放電，電池生熱率為23 000 W/m3。電池模組風冷數值模擬設置進口風速區間為0.5～5.0 m/s，進口空氣溫度為293.15 K。

2 結果與討論

2.1 傳熱效率

圖2為風冷電池組件的Nu值隨進口風速和電池間距的變化。由圖2可知，Nu值隨著進口風速單調增大，進口風速為5 m/s時，電池間距為2 mm的同側風冷模型Nu值可達7.58。在所研究的進口風速條件下，電池間距為2 mm與5 mm時相比，模型的Nu值更大。對于同側模型，電池間距為2 mm時Nu值對速度的遞增斜率為1.38，間距為5 mm時的斜率為0.97。此外，與同側風冷模型相比，異側風冷模型的Nu值較小。上述分析可知，采用同側風冷模型，并增加進口風速和減少電池間距，有利于增加風冷電池模型的Nu值，從而增強空氣與電池組之間的換熱強度。圖3為電池最高溫度Tmax隨空氣速度的變化圖。與其他模型相比，電池間隔為5 mm的異側模型的電池表面溫度最高，同時此模型的Nu值最低。此外，電池表面的最高溫度Tmax隨空氣速度單調遞減，但Tmax遞減的速率逐漸減小，意味著繼續增大空氣速度不會持續降低Tmax。

圖2 同側和異側模型電池的Nu值變化

圖3 同側與異側風冷模型電池表面最高溫度隨空氣速度變化圖

圖4為進口風速2 m/s、進口風溫293.15 K條件下，風冷電池模型截面x=30 mm處的溫度場分布。由圖4可以看出，電池組底部區域的溫度比上部區域低。同側風冷模型的電池溫度比異側低，溫度分布更加均勻，并且異側模型中左上方電池區域的溫度較高，如圖4（c）和圖4（d）所示，說明同側風冷電池模組的散熱效果更佳。此外，電池間距為2 mm的電池溫度低于間距為5 mm的電池溫度。對于電池間距為5 mm的異側風冷模型，電池表面溫度超過45 ℃（318.15 K）的區域較多，不能滿足電池組的散熱要求。

圖4 進口風速為2 m/s時風冷電池模型截面x=30 mm處溫度分布云圖

2.2 流動阻力分析

本文分析流體在流動中的損失與流動阻力的綜合情況時，采用阻力系數f與雷諾數Re的乘積fRe值來衡量，對于不同結構類型的電池組具有普遍的參考意義。由圖5可知，fRe值隨著進口風速的增大近似呈線性增長。電池間距分別為2 mm、5 mm時，同側風冷模型fRe值的斜率分別為13 458.62、5 827.54，異側風冷模型fRe值的斜率分別為17 035.14、9 138.40。顯然，電池間距為2 mm時fRe值比5 mm時大，同側模型fRe值比異側的小。例如，在同側風冷模型中，風速為5 m/s，電池間距為5 mm的fRe值與2 mm時的差值為39 471；在異側風冷模型中，此差值為41 504。

圖5 同側和異側模型fRe值與進口風速的關系

由圖6（a）可知，在同側風冷模型中，截面右上方電池上方處存在一個漩渦，而在異側風冷模型中則不存在漩渦。通過上文關于進出口方向對Nu值影響的分析可以得出，同側風冷模型中存在的這一漩渦加強了電池與空氣的對流換熱。由圖6（b）可知，在異側風冷模型中，異側模型截面的左上方流線較為稀疏，流動較弱，存在“死流區”[4]，使得空氣無法及時把熱量帶走，導致此處電池溫度過高，超過了電池散熱要求，如圖4（c）和圖4（d）所示。

圖6 進口風速為2 m/s時風冷電池模型截面x=30 mm處流線分布圖

2.3 綜合分析

j因子和f阻力系數分別是表征傳熱系數和壓降的相關參數。一般熱傳遞量的增加會導致壓降隨之增加，因此引入JF因子，該參數可以同時考慮j因子和f因子，可以有效評估不同條件下電池組散熱的綜合性能[10]。JF因子及j因子的表達式分別為：

式中，Pr為普朗特數；cp為空氣定壓比熱；下標“R”表示參考工況，本文中參考工況為進口風溫293.15 K、電池間距5 mm、同側風冷電池模型。

圖7為JF值隨進口風速的變化情況。對于參考工況，在所研究的速度范圍內，JF值恒定為1。由圖7可知，同側風冷模型的JF值比異側模型的大，電池間距為2 mm、風速大于2 m/s時JF值都大于1，與參考工況相比其綜合性能更優。JF值最大時的工況為速度5 m/s、電池間距2 mm。對于異側模型，電池間距為5 mm或2 mm，其JF值都低于參考值。因此，對于空氣速度低于2 m/s的工況，推薦選擇電池間距5 mm的同側電池風冷模型；當空氣速度大于2 m/s時，則推薦選擇電池間距2 mm的同側電池風冷模型。

圖7 風冷電池組模型中JF因子與進口風速uin的關系

3 結 論

采用CFD軟件仿真模擬的方法，對鋰離子電池組的風冷散熱性能進行分析，分析了進口風速、電池間距和組件出風口位置3種因素的影響，得出如下結論：采用同側風冷模型，并增加進口風速和減少電池間距，可利于增加風冷電池模型的Nu值；同側風冷模型的流動阻力比異側的小，而且進口風速的增大與電池間隔的減小都會導致流動阻力增大；進口風速大于2 m/s時，推薦選擇電池間距為2 mm的同側電池風冷模型。