圓柱形鋰離子電池組強制風冷性能研究

郭健忠，吳佳錦，許小偉，張華偉

（武漢科技大學汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430081）

1 引言

伴隨著日益加劇的溫室效應和霧霾的頻繁出現，在對交通領域空氣污染治理的迫切要求下，中國新能源汽車產業被推上了一個新的高度。動力電池作為新能源汽車的動力源，對整車動力性、經濟性、安全性具有決定性的影響。一輛新能源汽車的動力電池總成是由單節電池組合而成的，其中各節電池所處的環境溫度將對其充放電性能、壽命和安全性造成巨大影響。研究表明，鋰離子電池可以接受的工作溫度為（0～50）℃[1]，最佳工作溫度為（20～40）℃[2]，同時為保證各節電池的充放電一致性，一般要求各電池之間最大溫差越低越好，一般應控制在5℃以內。鑒于電池組對溫度的要求，通過對電池布置方式展開研究，優化電池組結構，進而節約風扇功率、提升電池溫度均勻性實有必要。

部分研究者側重于從電池間距著手，進而對電池組布置結構進行優化。文獻[3]研究了由8 個矩形鋰電池順序排列的電池組，結果表明當指定的模型間隙間距為3 毫米時，達到最優狀態。文獻[4]通過改變電池組的排布方式和電池箱的結構研究了電池組的熱特性。得出從冷卻能力和成本角度考慮的最優結構及從空間利用率考慮的最優結構。文獻[5]從電池的排列方式和放置方向等方面做了大量研究，研究發現圓柱形電池排列方式交叉排列優于直列排列，方形電池橫向放置優于縱向放置，梯形排列優于矩形排列，即沿氣流方向收縮氣道，可以提高下游氣流的散熱能力，提高電池組的溫度均勻性。也有研究者通過在電池表面加裝翅片來提升電池表面的換熱情況[6]。除了從電池間距考慮，還有不少研究者側重于改進流道結構。文獻[7]通過設計流道內導流板和引流板結構，從而保證流場的均勻分布。文獻[8]通過改進風道的結構來提升電池的溫度一致性，文獻[9]研究了電動汽車幾種典型的電池箱通風冷卻結構，研究表明正面通風加裝風擋板的結構最為合理。上述研究中，研究者們通過多種方式對方形及圓柱形電池組進行結構優化，一定程度上降低了電池組最高溫度，同時提升了電池組的溫度一致性。

鑒于圓柱形電池采用卷繞工藝，相比方形電池具有結構更緊湊，一致性更好，安全性更高等優點。

通過Fluent 進行數值模擬，對26650 圓柱形鋰離子電池組的換熱性能、電池溫升和系統功耗展開研究，探討兩種不同布置方式下，圓柱形鋰離子電池組各性能指標與電池間距之間的關系。

2 模型的建立

2.1 單體電池模型

圓柱形電池由于采用卷繞工藝，電芯內部結構復雜。在對電池組進行建模前，為節約計算成本，需對電池熱物理模型進行合理的簡化。由于電池熱量傳遞沿半徑方向的速度是軸向的20 倍[10]，因此建立電池組二維熱傳導模型，如圖1 所示。其中單體電池熱模型簡化為內部熱源與外部殼體組成，且電池內部熱源為各向同性固體。電池放電生熱過程中，內部熱源生成的熱量通過熱傳導傳遞給外部殼體，外部殼體再通過對流換熱將熱量傳遞給空氣。

圖1 單體電池二維熱傳導示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Two-Dimensional Heat Ttransfer In Single Cell

2.2 電池組模型

26650 鋰離子電池組布置方式分為順排布置和叉排布置兩種形式。

順排布置通過正方形支架連接固定各節電池，叉排布置通過正三角形支架固定各節電池。相應的電池組模型示意圖，如圖2、圖3 所示。其中，電池直徑D為26mm；電池表面殼體厚度C為0.25mm；La為順排布置電池間距；Ls為叉排布置電池間距。

圖2 順排方式下電池組布置形式Fig.2 Aligned Layout of Battery Pack

圖3 叉排方式下電池組布置形式Fig.3 Staggered Layout of Battery Pack

3 計算域模型與邊界條件

3.1 生熱速率模型

鋰離子電池在充放電時，電池內產生的一系列反應常伴有熱量產生。產生的熱量主要可分為三個部分，第一部分是由焦耳熱效應產生的歐姆熱。第二部分是由鋰離子濃度差異導致粒子遷移過程產生的熱量，稱為濃差熱，這兩部分的產熱過程是不可逆的，因此稱為不可逆熱。第三部分是電池內部化學反應過程中產生的熱量，因化學反應在充電與放電過程中互為逆反應，電化學反應熱稱為可逆熱。上述鋰離子電池生熱率的計算通常采用bernardi 生熱速率模型，如式（1）所示。

式中：I—電流；R—電池總內阻，包括歐姆內阻和極化內阻；Tb—電池溫度；dEoc/dTb—電池電動勢溫度系數，一般取定值為dEoc/dTb=-0.3[11]。

阻值的變化與溫度密切相關，對于圓柱形鋰電池而言總內阻R與電池溫度Tb關系[12]，如式（2）所示。

圖4 計算域模型與電池編號Fig.4 Computational Domain Model and Battery Number

3.2 邊界條件

電池組模塊采用A123 26650 磷酸鐵鋰電池，額定電壓為3.7V，額定容量為2300mA·h。設該電池以2C 恒流放電，電池生熱通過編寫UDF（用戶自定義函數）以體熱源的形式加載到電芯內部。兩種排布方式的計算域模型中均設置了四種邊界條件，如圖4 所示。圖4 中芯部熱源、殼體及空氣的物性參數設置，如表1所示。入口的速度邊界條件給定入口空氣速度與溫度，其中入口溫度設置為300K，入口速度設置3m/s。出口空氣邊界條件設置為自由流出口。電池殼體與空氣和內部熱源的交界面均設置為耦合面。進出口延長段的左右側設置為對稱邊界條件。

表1 內部熱源與外部殼體的物性參數Tab.1 Physical Parameters of Internal Heat Source and External Shell

4 仿真結果分析

4.1 間距對傳熱與阻力性能的影響

通過Fluent 仿真模擬了順排與叉排兩種布置形式下28mm、31mm、34mm、37mm、40mm 五種電池間距對應的電池組強制風冷過程。在探討各電池組模型的傳熱性能時，由于對流換熱系數常因空氣流速受其他因素影響時發生改變，若是以對流換熱系數作為換熱能力的評價標準，將對更為準確的比較不同結構換熱能力的優劣是不利的，因此引入傳熱因子j作為換熱能力的判定準則，傳熱因子j定義下：

式中：j—傳熱因子；h—換熱系數；v—電池組之間空氣平均流速；C0—空氣比熱容；Pra—普朗特數，取Pra=0.684；ΔTlm—對數平均溫差；Tout—出口空氣溫度；Tin—進口空氣溫度；Tw—電池組表面平均溫度；ma—單位時間內流過電池組空氣的質量；A—空氣與電池組之間的換熱面積。

電池組對來流空氣阻礙作用的強度可以通過電池組摩擦因子f的大小來表示：

式中：f—摩擦因子；Ac—流速最大處的截面面積；vin—電池組入口處的空氣流速；vm—空氣平均流速；gc—牛頓第二定律比例系數，取gc=1；ΔP—空氣沿程壓降；vout—電池組出口處的空氣流速。

通過數值模擬求得采用順排布置方式各模型傳熱因子及阻力因子與電池間距的對應關系，如圖5 所示。

叉排方式各模型的傳熱因子及阻力因子與電池間距的對應關系，如圖6 所示。

圖5 順排布置各模型傳熱因子及阻力因子Fig.5 The Heat Transfer Factors and Resistance Factors of Aligned

圖6 叉排布置各模型傳熱因子及阻力因子Fig.6 The Heat Transfer Factors and Resistance Factors of Staggered

可以看出，兩種布置方式下，隨電池間距增大傳熱因子及阻力因子均不斷減小。這是由于電池組入口風速一定時電池間距越大，電池組內部空氣平均流速越小，雷諾數隨之減小。此時在空氣黏性的作用下，湍流程度降低，從而導致傳熱因子減小。

對于電池組阻力因子而言，當電池組間距較小時，內部空氣壓強較大，此時電池組對來流空氣的阻礙作用也就更大，因此當增大電池間距時，阻力因子隨之減小。電池組的綜合換熱性能可以通過計算對比無量綱因子j/f1/3來評價，具體數值，如表2 所示。

表2 各模型對應的綜合換熱因子j/f 1/3Tab.2 The Comprehensive Heat Transfer Factor j/f 1/3

4.2 間距對溫升及溫度一致性的影響

對鋰離子電池組而言，單節電池間的溫差將導致電池內阻差異，因此除電池的最高溫升越低越好，不同電池之間的溫度差異也應越小越好。為討論不同布置間距對溫升及溫度一致性的影響，求得初始溫度為26.85℃的兩種電池組在風速3m/s 條件下2C放電結束時溫度分布，如圖7、圖8 所示。

圖7 順排方式各模型電池溫度Fig.7 Temperature of Battery in Each Aligned Model

圖8 叉排方式各模型電池溫度Fig.8 Temperature of Battery in Each Staggered Model

表3 2C 放電結束時各模型溫度特性Tab.3 Temperature Characteristics of Each Model

順排布置方式下由于來流氣體受到前方電池加熱，掃略后方電池表面的空氣溫度相比前方電池更高，則換熱能力因此下降，對應電池的溫升也就更大，因此電池溫度逐一遞增，如圖7 所示。對于叉排布置方式，電池1 的溫度總是高于電池2，如圖8 所示。這是因為在叉排布置方式下，由于流體的連續性，掃略電池2表面的空氣流速比電池1 大的多，因此換熱能力更強，溫度也就更低。各模型對應的電池最高溫、最低溫與溫差，如表3 所示。

4.3 各間距風扇功率及空間利用率

對于電池組而言，相同入口風速下對應的風扇功率需求是不同的，合理的電池布置間距應當在考慮其他因素同時，盡可能少的消耗風扇功率。強制風冷對風扇的功率需求可以通過來流空氣的體積流量與空氣入口處的總壓力來計算，如式（7）所示。

式中：Pw—所需風扇功率；pin—空氣入口壓力；Ain—計算域電池組迎風面積。計算求得兩種布置方式在入口風速為3m/s 工況下的功率消耗，如圖9 所示。

圖9 表明，隨電池間距增大，兩種布置方式所需的風扇功率逐漸減小，所需風扇功率變化率逐漸趨于平緩。由于一輛新能源車輛提供給電池組的體積是有限的，因此通過減小電池間距能夠獲得更多的體積利用率。電池組體積利用率可以通過所有單節電池的總體積與電池組所占體積的比值來計算。叉排與順排兩種布置方式下各電池間距對應的體積利用率，如表4 所示。

圖9 各模型對應的風扇功耗Fig.9 Fan Power Consumption for Each Model

表4 各電池間距對應的體積利用率Tab.4 Volume Utilization Rate of Each Gap

4.4 綜合評價因子與最優電池間距

對于電池熱管理系統而言，前文探討的各性能指標既通過電池間距相互聯系在一起，同時在對電池組評價時他們又分別獨立的反映了電動汽車對電池組的各項不同要求。在評價電池間距時，應當權衡考慮電池間距對電池綜合換熱性能、電池最高溫升、電池溫度一致性、所需風扇功率及電池組體積利用率這些因素，基于此建立的電池組綜合評價因子，如式（8）所示。

式中：μ—電池組綜合評價因子；j/f1/3—綜合換熱因子；η—體積利用率；Tmax—單體電池最高溫升；Tdv—電池間最高溫差；Pw—所需風扇功率；αi（i=1，2，...，5）為權重系數，均取值為1。

經計算得到電池組綜合評價因子及其最小二乘法擬合多項式，如圖10 所示。因此權衡考慮電池綜合換熱性能、電池最高溫升、電池溫度一致性、所需風扇功率及電池組體積利用率的最優電池間距對于順排布置為35mm，對于叉排布置為36mm。

圖10 各模型電池組綜合評價因子Fig.10 Comprehensive Evaluation Factors for Each Model Battery Pack

5 結論

通過Fluent 對順排與叉排兩種布置方式的26650 圓柱形鋰離子電池組進行數值模擬，分析了五種電池布置間距下的各項性能隨電池間距的變化規律，得到如下結論：（1）電池組傳熱性能及阻力性能均隨電池間距增大而不斷減小。（2）在強制風冷風速一定時，兩種布置方式下各節電池的溫度均隨著電池間距增大而升高。（3）兩種布置方式的電池組所需風扇功率及體積利用率均隨電池間距增大而減小。相同間距叉排布置方式的體積利用率略大于順排布置方式。（4）權衡考慮電池綜合換熱性能、電池最高溫升、電池溫度一致性、所需風扇功率及電池組體積利用率的最優電池間距對于順排布置為35mm，對于叉排布置為36mm。