鋰離子電池強制風冷熱管理系統結構優化

汪鵬偉

摘要：本文針對18650鋰離子電池建立了基于多風口的電池模塊，并結合計算流體動力學（CFD）方法對模塊結構進行了一系列優化。一方面探討了進出口數量的變化對電池模塊冷卻性能的影響，與此同時也討論了進出口的位置與尺寸的影響。結果表明，左右兩側進風底部兩角落出風的進出口布局明顯優于其它布局方式，且與基礎模型相比最高溫度降低8.250℃（17.9%），最大溫差減小3.943℃（37.8%）。此優化后的模塊結構可為強制風冷策略下的電池熱管理系統提供有效參考。

關鍵詞：電池熱管理;CFD;結構優化;多風口

中圖分類號：TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）01-0197-02

0? 引言

近年來，全球對化石能源的大量消耗引發了一系列諸如環境惡化、資源短缺等問題，而這些問題的出現為電動汽車的發展提供巨大動力。鋰離子電池作為綜合性能最佳的動力電池，因具有能量密度高、比功率大[1]等優點而適用于電動汽車。但其性能受制于工作溫度，鋰電池的理想工作溫度為20～40℃[2]，且溫差不宜過大，因此設計合理的電池熱管理系統（BTMS）至關重要。目前，常見的熱管理系統包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻以及多種方式組合冷卻。在多種熱管理方式中，空氣冷卻因具有結構簡單、成本低、可靠性高、易于維護[3]等優點而被廣泛研究。Wang等人[4]討論了強制風冷下不同電池排列方式與風口位置對模塊冷卻性能的影響，結果表明，頂進底回的風口設計冷卻效果最好，且當著重考慮冷卻性能時，5×5立方結構的效果最佳;當著重考慮空間利用率時，19節電池的六邊形結構效果最佳。Jilte等人[5]提出了一種空氣與相變材料復合的冷卻方式，將電池組分成多個模塊，并對各個模塊單獨進行溫度控制，發現在不同放電倍率和環境溫度下，空氣冷卻可將電池組的溫升控制在5℃以內，相變材料冷卻可將電池組的溫升控制在0.12℃以內。Chen等人[6]結合牛頓法和流阻網格模型優化了并聯風冷電池熱管理系統的結構，結果顯示當固定入口風量和電池發熱量時，優化后電池組的最大溫差可減小45%;當固定電池組功耗和電池發熱量時，優化后電池組的最大溫差可減小41%。本文可在功耗變化較小的情況下通過增設多風口來優化模塊結構。既保證了相對簡單的結構，又可顯著提升冷卻性能。

1? 數值模擬

1.1 CFD建模

本文所采用的帶有強制空氣冷卻的電池模塊由內部電池組及外部箱體組成，內部電池組由25節18650鋰離子電池矩形排列而成，箱體表面開設有隨模塊布局改變而改變的進出風口，且風口布局遵循對稱設計及合理分配風量的原則，故優選進（出）風口數量為1或2。當進（出）風口數量為1時，進（出）風口半徑設定為20mm;當進（出）風口數量為2時，進（出）風口半徑設定為14mm。電池模塊結構示意圖如圖1所示。為便于數值計算，本文基于CFD方法假設了一個特定的模擬分析環境：①環境溫度與模型初始溫度均設定為25℃;②電池材料采用18650鋰電池，且將內部結構復雜的鋰電池簡化為電池集總模型;③電池放電過程中產熱穩定，基于穩態模擬，采用標準的k-ε湍流模型在FLUENT中進行數值求解;④進風口為速度入口，出風口為壓力出口;⑤電池模塊總進風量固定為2.8903E-3m3/s，且當進風口為多個時，各進風口等分風量;⑥根據進風口的數量變化，雷諾數Re取值為2994.86～5989.72，故壁面函數設置為增強型壁面。模擬參數如表1所示。

1.2 電池模塊控制方程

放電過程中，電池模塊的控制方程可表示為式（1）～式（3）[4]。

連續性方程：

動量守恒方程：

能量守恒方程：

2? 結果與討論

2.1 電池模塊設計的相關說明

本文使用的熱特性評價指標包括：電池組的最高溫度Tmax、各單體電池間的最大溫差ΔT、平均溫度T以及溫度的標準偏差Tdev。其中，Tmax不應超過40℃，且Tmax和T越低，電池組冷卻性能越好;ΔT和Tdev表示電池組的溫均性，Tdev的計算公式可表示為：

因進出口數量及位置的變化較多，針對進出口做如下設計：進（出）口數量優選為1或2，即1進1回、2進2回。將箱體各面和進出口位置簡化為如圖2所示的代號。其中箱體各面表示為A～F，進出口的圓心位置表示為a、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，a位于殼面的中心位置，b位于中軸線上，c處于四角位置，且位于b、c處的風口的邊緣和箱體邊緣留有1mm間隙。

2.2 不同風口數量與位置的模塊布局

在電池恒定放電過程中，因電池內部自熱及電池間互熱，導致電池溫度不斷升高，直至放電結束時達到最高，且此工作環境下的鋰電池常突破20～40℃的最佳溫度范圍，因此本文采用強制風冷的方式試圖將其控制在最佳溫度范圍內。為研究多進出口的冷卻效果，本文首先進行了單進出口的模擬，并以1進1回-底部進風頂部出風的工況為基礎模型。如表2為1進1回布局的熱特性，其中布局（頂中間進底中間回）的冷卻性能明顯優于基礎模型，其溫度分布如圖3所示。由圖3可知，由于冷卻氣流較窄，四角位置的電池溫度相對中部更高，這導致電池組的超過40℃，故還需在后續模擬中優化模塊布局。

表3為2進2回布局的熱特性，僅布局（左右側右上角進底部下邊兩角回）的Tmax在0～40℃內，其進口附近的電池溫度較低，出口附近次之，中部溫度普遍較高，原因在于渦流的產生極大影響了氣流與電池表面的熱交換。本節經數值計算獲得的優化模型與基礎模型（1進1回-底部進風頂部出風）相比Tmax降低8.250℃（17.9%），ΔT減小3.943℃（37.8%），T降低4.169℃（10.5%），Tdev減小1.497℃（42.9%），且其冷卻性能與本研究的其它任何模型相比都更具優勢，故此將之作為本文的最優模型。

3? 結論

本文針對18650鋰離子電池模塊進行了一系列結構優化，通過在模塊箱體上設置多個風口以及改變進出風口安裝位置與尺寸的方式來改進以往單進單出的風口布局方式中存在的局部溫度過高以及電池組溫均性差等問題。主要結論如下：①在保持總進氣量不變的前提下，通過增加進出口可獲得良好的冷卻效果。強制風冷散熱下的冷卻性能主要受冷卻氣流的路徑、速度及溫度的影響，當進出風口數量發生改變時，這些影響因素會隨之改變。②結合風口數量、位置及尺寸這三個變化因素優化電池模塊結構可顯著提升冷卻性能。本文所討論的進出口優化方案中，左右兩側進風底部兩角落出風的布局方式冷卻效果最佳。此方案與基礎模型相比Tmax和ΔT分別降低8.250℃（17.9%）以及3.943℃（37.8%）。

參考文獻：

[1]T. Sasaki， Y. Ukyo， P. Novák， Memory effect in a lithium-ion battery， Nat. Mater. 12 （2013） 569.

[2]K. Chen， Y.M. Chen， Z.Y. Li， F. Yuan， S.F. Wang， Design of the cell spacings of battery pack in parallel air-cooled battery thermal management system， Int. J. Heat Mass Transf. 127 （2018） 393-401.

[3]K. Chen， Z. Li， Y. Chen， S. Long， J. Hou， M. Song， S. Wang， Design of parallel aircooled battery thermal management system through numerical study， Energies 10 （2017） 1677.

[4]T. Wang， K.J. Tseng， J.Y. Zhao， Z.B. Wei， Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air-cooling strategies， Appl. Energy 134 （2014） 229-238.

[5]R.D. Jilte， R. Kumar， M.H. Ahmadi， L.G. Chen， Battery thermal management system employing phase change material with cell-to-cell air cooling， Appl. Therm. Eng. 161 （2019） 114199.

[6]K. Chen， S.F. Wang， M.X. Song， L. Chen， Structure optimization of parallel air-cooled battery thermal management system， Int. J. Heat Mass Transf. 111 （2017） 943-952.