不同布置結構的鋰離子電池組并行風冷散熱性能研究

胡長征

（天津商業大學機械工程學院，天津 300134）

能源危機和環境污染雙重壓力促使可再生能源迅速發展[1]。可再生能源發電的間歇性和不穩定性對電網的安全運行和電力質量產生不利影響[2-4]。利用儲能系統可以有效解決這一問題，同時其也可用于實現電源負荷平衡、削峰填谷和平穩波動[5,6]。電池儲能系統具有能源利用效率高、響應速率快和安裝方便等優點，更適用于工程應用[7]。鋰離子電池由于其高能量密度、自放電率低和循環壽命長等優點被廣泛應用于電池儲能系統[8]。鋰離子電池在充放電過程中會產生大量熱量，如不及時將散熱，會導致電池溫度升高，嚴重影響電池性能、壽命和安全性。目前電池熱管理常用技術中空氣冷卻系統因結構簡單、維護方便和成本低等優點，已得到廣泛應用。

Pesaran 等人[9]研究了串行通風和并行通風冷卻的散熱性能，結果表明串行通風的散熱效果優于并行通風。Tong 等人[10]研究了強制空氣冷卻系統，指出增加進口速度或使用周期性逆流布置可以使電池溫度分布更加均勻。王天波等[11]研究了進出口方向、位置對電池組散熱效果影響規律，結果表明采用側向通風方式散熱效果最佳。Wang 等人[12]研究了圓柱型鋰離子電池布置結構和風扇位置對散熱性能的影響，結果表明立方體布置結構最有利于冷卻效果和成本；當風扇位于模塊頂部時，冷卻性能最佳。Li 等人[13]對U 型、Z 型和J 型氣流結構下電池組冷卻進行模擬研究和優化，結果表明Z 型氣流配置效果最好。本文建立了并行風冷電池組模型，通過CFD 方法分析研究不同電池排列結構和流道結構對散熱性能的影響。

1 物理模型與數值方法

1.1 物理模型

本文選用方形磷酸鐵鋰電池為研究對象，單體電池尺寸為25.3mm×135mm×170mm，標稱容量45Ah，標稱電壓3.2V。電池組由14 塊單體電池組成，單體電池間隔與電池箱體四壁間隔均為5mm，電池組與電池箱體上下間隔為20mm。本文對電池組1×14 和2×7 兩種排列結構和U 形、Z 形兩種流道建模，空氣均為下進上出，物理模型如表1 所列。

由于鋰離子電池生熱過程比較復雜，故做出如下假設：電池為各項同性的均勻生熱體，內部電流密度均勻；忽略電池內部換熱；建模時忽略生熱量占比較小的極柱。單體電池[14]、空氣的熱物性參數如表2 所示。

1.2 數值方法

1.2.1 控制方程

流體流動區域，控制方程表達式如下：

連續性方程

式中：ρ 為空氣密度；U 為速度矢量。

動量守恒方程

式中：u、v、ω 分別為速度矢量在方向的速度分量；μ為空氣動力粘度；Su、Sv、Sω為廣義源項。

能量守恒方程

在電池內部導熱是主要傳熱方式，導熱微分方程為：

式中：ρ 為電池密度；c 為電池比熱容；λx、λy、λz為導熱系數；q 為電池體熱源。

1.2.2 仿真參數設定

對物理模型的電池固體域采用結構化網格，空氣流體域采用非結構化網格，網格單元為3mm，以模型1 為例，網格數約208 萬個。在CFD 軟件中，模型基于壓力求解器，瞬態求解法，擴散項采用二階迎風格式離散，瞬態項采用一階隱式格式離散，選用k-ε 湍流模型。采用速度入口和壓力出口邊界條件，假設電池箱絕熱；忽略輻射換熱，電池與流體不產生相對滑動。進口溫度和環境溫度為25℃。單體電池為恒定發熱源，參照文獻[13]中電池1C 放電溫升數據和產熱公式得出：單體電池1C 和2C 放電體熱源分別為13306.5W/m3和49910.9W/m3。

2 結果分析與討論

2.1 單體電池實驗驗證

對單體電池進行1C 和2C 放電仿真，邊界對流換熱系數為3W/(m2·K)，環境及初始溫度為25℃。將模擬結果同文獻[13]中實驗結果進行對比，結果如圖1 所示。電池1C 和2C 放電結束表面平均溫度分別為為42.7℃和56.1℃，與實驗最大絕對誤差分別為1.79℃和1.53℃，說明仿真模型合理有效。

圖1 單體電池放電溫升驗證

2.2 電池組模型散熱對比分析

2.2.1 電池組熱性能指標

如前文所述，溫度會對鋰離子電池性能產生很大影響，此外，電池組溫度均勻性同樣至關重要。因此，本文以來。電池組內最高溫度（Tmax）；電池組平均溫度（Tave）；電池間最大溫差(ΔT)評價不同電池排列結構和氣流結構模型的散熱性能。Tmax、Tave和ΔT越低意味著散熱效果越好，電池組溫度分布越均勻[15]。

2.2.2 不同模型對比

對上述5 種模型進行仿真模擬，電池以1C 倍率放電，仿真時間為3600s，進口流量均為50m3/h，結果如表3所示。模型1-4 的結果顯示：雙列流道的散熱效果和溫度均勻性均優于單列流道。U 形流道的散熱效果和溫度均勻性均由于Z 形流道。

表3 各模型計算結果

因此將模型3=中正向通風改為側向通風得到模型5。Tmax、Tave、ΔT 分別為34.81℃、33.23℃、7.04℃，相比于模型3，Tmax和ΔT 降低了1.75%和12.4%，Tave升高了0.19%。采用側向通風有利于空氣分散流動，電池組均溫性得到改善。綜上可知，模型5 散熱效果最優。

2.3 雙列U 形流道側向通風散熱分析

表5 2C 放電下各流量仿真結果

由上節分析可知，模型5 雙列U 形流道側向通風散熱性能最優，為進一步分析其散熱性能，對不同空氣流量散熱情況進行模擬，分別為20 m3/h、50 m3/h、80 m3/h、100m3/h，進口溫度和環境溫度為25℃。同時考慮到電池放電倍率會對Tmax、Tave、ΔT 影響很大，增加電池組在2C放電時冷卻模擬，1C 和2C 放電下各流量仿真結果見表4-5。

表4 1C 放電下各流量仿真結果

由模擬結果可知，電池組Tmax 和Tave 均隨流量增大而減小，減小趨勢逐步放緩。電池組ΔT 隨著流量增大先降低后增加，電池組以2C 倍率放電時Tmax和ΔT 隨空氣流量變化趨勢同電池組在1C 放電下相同。因此，增大空氣流量可以在一定程度內有效提高電池組散熱性能。超過某一特定值時，繼續增加流量對降低Tmax效果不在明顯，反而會增加ΔT。另外，電池組2C 放電時，即便空氣流量達到100m3/h，電池組Tmax仍然達到48.42℃，此時空氣冷卻已不能滿足熱管理需求，可考慮其他冷卻方式強化換熱。

3 結論

本文基于驗證后鋰離子單體電池模型，針對電池組排列方式和氣流結構進行CFD 數值仿真，以電池組最高溫度、電池組平均溫度和電池組最大溫差三個指標分析了各模型散熱性能，同時研究了空氣流量研究對散熱性能影響規律，得出如下結論：

3.1 電池組雙列結構散熱效果優于單列結構，U 形流道結構散熱效果優于Z 形流道且權重高于電池排列方式；雙列U 形流道側向通風綜合散熱效果最優

3.2 通過增大空氣流量可在一定程度上提高電池組散熱能力；繼續增大流量對電池組溫度影響不明顯，反而會降低均溫性。