基于封閉流空氣冷卻的鋰離子電池熱特性研究

胡順濤，李 源，李一飛

(青海民族大學土木與交通工程學院，青海西寧 810007)

近年來，鋰離子電池因其高電壓、低自放電率和高能量密度的特性，被廣泛應用于電動汽車和混合動力汽車[1]。然而，電動汽車普遍使用的鋰電池對溫度敏感性高，在高溫下極易導致電池的性能退化，極端情況下甚至導致熱失控，威脅人車安全[2]。為解決電池在運行過程中因頻繁充放電而造成的熱積聚問題，電池熱管理系統(tǒng)的設計研究成為關鍵和挑戰(zhàn)。

目前電池包的冷卻方式主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻等方式[3]。空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)由于結構簡單、造價低的特點，成為優(yōu)化電池散熱的主要方案之一。Hong 等[4]提出了新型帶二次通風孔的并聯風冷電池熱管理系統(tǒng)，經數值模擬研究，發(fā)現位置靠近出口且尺寸越大的二次通風孔越有助于獲得更好的冷卻性能。Sun 等[5]研究了U 型流、Z型流電池模組的熱特性，結果表明，后者冷卻性能優(yōu)于前者。Wang[6]采用數值仿真的方法對電池的排列結構及風冷策略進行了研究，結果發(fā)現，當風扇位于模塊頂部時，冷卻性能最佳；考慮到冷卻效果和成本，強迫風冷的最佳結構是立方結構。Yang 等[7]對比研究了整齊排列與交錯排列對電池組性能的影響，對電池橫向間隔、縱向間隔、入口寬度進行優(yōu)化后，得出整齊排列的方式能使電池組達到更好的冷卻性能。Saw等[8]對包含進氣室和排氣室以及帶有通風孔固定板的電池熱管理系統(tǒng)進行了實驗與數值研究，研究表明，隨著冷卻空氣流量的增大，導致了換熱系數和壓降的增大。

本文針對傳統(tǒng)的基于開放流空氣冷卻的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)，提出了一種基于封閉流空氣冷卻的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)方案。以鋰離子電池熱模型為理論基礎，利用有限元分析軟件ANSYS 對該系統(tǒng)熱特性進行了三維溫度場分析，研究了電池組的瞬態(tài)熱響應、功耗、冷卻效率及溫度一致性，并對封閉流控制角及電池橫向間隔進行了優(yōu)化，為圓柱形鋰離子電池熱管理系統(tǒng)設計提供指導。

1 仿真及計算方法

1.1 模擬對象

本文使用的是A123 26650 型圓柱型鋰離子電池。電池容量為2.5 Ah，每個電池的直徑和高度分別為26 和65 mm。

表1 為參照文獻[8]所得到的電池單體及空氣基本物性參數。本文中，電池材料被認為是各向同性的，即電池單元組件(陰極、陽極、隔板、集電器片)被視為具有恒定熱導率和比熱值的均質體。

表1 CFD 模型中材料特性

1.2 模型建立

目前空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)多為圖1(a)所示傳統(tǒng)的基于開放流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)，但仍存在電池散熱不佳、溫度一致性差的問題。基于此，本文提出了圖1(b)所示的基于封閉流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)，定義α為封閉流控制角，Sx為電池橫向間隔。為節(jié)約計算成本，取虛線框內1P×4S 電池模塊作為研究對象。

圖1 電池熱管理系統(tǒng)結構示意圖

模塊由四個電池單體(C1、C2、C3 和C4)串聯而成，相鄰電池間距為7 mm，距兩側鋁制外殼4 mm，C1 距入口及C4 距出口的距離均為25 mm，但為了保證計算域出口附近速度已充分發(fā)展，避免回轉流影響，故將計算域中C4 距出口的距離延長至60 mm。電池的上下底面和外殼的上下壁面之間沒有間隙，所有的電子線和連接器都留在外殼外，以便進行相應的仿真模擬。

1.3 模型載荷與邊界條件

由于造成電池內部產熱的電化學過程較為復雜，在建立三維瞬態(tài)傳熱數學模型時，做出以下幾點假設：(1)電池內部各種材料具有各向同性且物理性質均一；(2)電池內部電解液流動性很差，忽略其內部對流換熱影響；(3)電池內部發(fā)熱均勻。

基于上述假設，建立圓柱型鋰離子電池的三維瞬態(tài)傳熱數學偏微分方程：

式中：ρ為電池平均密度；cp為電池平均比熱容；T為溫度；t為時間；q為電池內生熱率；λx、λy、λz分別為電池材料x、y、z方向導熱系數。

目前電池的內部產熱多通過實驗測量或根據Bernardi 的電池生熱速率方程計算得到。生熱率計算方程如下：

式中：I為電流；V為電池體積；Eoc為電池平衡電動勢；U為工作電壓；T為初始溫度，取296.05 K；dEoc/dT為電池電壓隨溫度變化的溫度系數；計算過程中Eoc-U等于IR(R為電池內阻)。

冷卻空氣循環(huán)的理想功率可以通過體積流量和入口總壓力的乘積來估算，即：

式中：QV,in為電池組進口處冷卻空氣的體積流量；pin和ρin分別為進口處冷卻空氣的壓力和密度；vin為入口處冷卻空氣的速度。

冷卻指數由冷卻空氣排出的熱量與空氣循環(huán)消耗的功率之比確定，它反映了冷卻系統(tǒng)的效率，表示為：

式中：Qh為電池在放電過程中總的產熱量；Qab為電池初始時刻至放電末尾吸收熱量的變化量；Vcell為電池單體體積；i為電池序號；mi為第i個電池的質量；Ti為電池平均溫度；cp,i為第i個電池的比熱容；T0為電池初始溫度，296.05 K；t為放電過程持續(xù)時間。

本文根據He 等[9]的實驗結果，對產熱率進行了三次多項式擬合，擬合結果如圖2 所示。離散點表示文獻[9]中電池C1、C2、C3 和C4 在選定時間測得的實驗數據，實線則為三次多項式擬合結果。由圖2 可見，擬合數據與實驗結果基本吻合，可以作為計算輸入熱源。

圖2 電池生熱率擬合曲線

本文使用ANSYS Fluent 18.0 進行仿真，基于壓力的求解器，采用RNG k-epsilon 模型來模擬湍流，采用SIMPLE 算法求解CFD 模型中的質量、動量和能量方程。時間步長設置為1 s，每步迭代20 次，能量方程的收斂參數為10-9。使用UDF編程計算生熱量隨時間的變化，作為體熱載荷加載到電池上。流體入口設置為質量流入口，Q=0.001 978 kg/s，出口為一個大氣壓的壓力出口。分離空氣域的電池表面作為耦合壁面，采用無滑移壁面條件。空氣作為冷卻介質，初始溫度為22.9 ℃，放電倍率為3C。

2 結果與討論

2.1 封閉流控制角對電池模組溫度場的影響

為提高傳統(tǒng)的基于開放流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)冷卻性能，在入口質量流量不變的條件下，研究了封閉流控制角α對電池模塊冷卻性能的影響。

圖3 所示為α角不同的封閉流電池熱管理系統(tǒng)電池C2 對流換熱表面瞬態(tài)熱響應，溫度取流固耦合壁面的面積加權平均值。α=0°則對應傳統(tǒng)的基于開放流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)。

圖3 C2電池表面瞬態(tài)溫度熱響應

由圖3 可以看出，在t=0 s 時，電池溫度與冷卻空氣溫度相同，但隨著電池放電時間的增加，電池表面溫度不斷提高。這是因為電池在放電過程中不斷產生熱量，造成熱積聚，而冷卻空氣不能及時將熱量帶走，造成了電池對流換熱面溫度的提高。對于封閉流空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)，隨著α角的增大，電池在放電末尾，對流換熱表面溫度不斷降低。當α為140°時，C2 電池對流換熱表面面積加權平均溫度較開放流電池熱管理系統(tǒng)降低1.89 ℃，冷卻效果得到明顯改善。這是由于隨著封閉流控制角的增加，沿電池表面引導繞流路徑加長，流速增大，湍流擾動加強，對流換熱系數增加，空氣帶走熱量增加所致。

α角不同時，C1～C4 在放電末尾電池表面面積加權平均溫度分布如圖4 所示。由圖4 可得，對于開放流空冷電池熱管理系統(tǒng)，在放電末尾，C2 電池表面溫度最高，這是由C2 電池內部產熱率最高所致，與圖2 相吻合。當α≤90°時，電池單體表面面積加權平均溫度最大溫差出現在C1 與C2 之間，最大溫差為α=0°時的1.04 ℃。當α為30°、60°、90°時，最大溫差依次縮小為1.01、1.0、0.80 ℃；當α為120°、140°時，最大面積加權平均溫度差出現在C1、C4 之間，分別為0.98、0.78 ℃。這是因為，隨著α角的增加，定面積通流截面的引導繞流區(qū)增大，較之開放流結構，流速增大，對流換熱量增加，電池溫度不斷降低。同時由于電池C2 產熱率最高且位于電池熱管理系統(tǒng)上游，當α由90°增加到120°時，其溫度降幅最大，被冷卻空氣帶走的熱量顯著增加，沿流動路徑的增長，冷卻介質溫度不斷升高，C4 電池冷卻效果減弱，導致α為120°、140°時放電末尾電池C4 溫度最高。

圖4 α角不同時，放電末尾電池表面面積加權平均溫度分布

根據方程(3)～(6)，得到封閉流空冷電池熱管理系統(tǒng)功耗及冷卻指數如圖5 所示。由圖5 可知，開放流空冷電池熱管理系統(tǒng)功耗最小，PW=0.068 W。隨著α角不斷增加，基于封閉流的空冷電池熱管理系統(tǒng)功耗不斷增加，冷卻指數不斷降低。當α＞90°時，功耗增幅明顯增大。α=120°、140°時，PW較α=90°時分別增加46%、136%，這是由流阻增加所致。α角越大，被空氣攜帶走的熱量增加，但流體沖擊C2、C3、C4 電池迎風面加劇，動能損失增加，造成理想功率明顯增加，冷卻指數反而降低。

圖5 不同封閉流控制角時系統(tǒng)功耗和冷卻指數

電池熱管理系統(tǒng)冷卻性能的好壞，需綜合考慮瞬態(tài)溫度熱響應、溫度一致性、功耗及冷卻指數。由上述分析可知，α=90°，被推薦為較佳的封閉流空氣冷卻電池熱管理系統(tǒng)結構。電池單體間對流換熱表面面積加權平均溫度最大溫差為0.80 ℃，溫度一致性高，且功耗較低，但以冷卻指數降低為代價。

圖6 所示為α=0°、90°時，不同放電時刻C1～C4 電池表面溫度分布。由圖6 可以看出，t=100 s 時，基于開放流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)與α=90°的基于封閉流空氣冷卻的電池熱管理系統(tǒng)，溫度大致相同，冷卻效果不明顯。隨著放電時間的延長，封閉流電池模組溫度開始明顯低于開放流冷卻電池模組。在t=700 s 時，C1、C2 電池表面面積加權平均溫度降幅最大，分別降低了0.93、0.88 ℃。對于基于封閉流冷卻的電池模組間單體電池的溫度差異明顯得到改善。在t=700 s時，電池C2、C3、C4 之間，面積加權平均溫度最大溫度差由0.71 ℃降低為0.27 ℃，溫度一致性明顯提高。

圖6 不同放電時刻的電池表面溫度分布

圖7 為放電末尾，開放流冷卻電池模塊與α=90°的封閉流冷卻電池模塊溫度分布云圖。由圖7 可以看出，經封閉流空氣冷卻的電池模塊高溫區(qū)范圍明顯縮小，電池溫度由電池中心軸線沿徑向呈放射狀不斷降低，且溫度梯度分布更加均勻。這是因為開放流結構，電池表面流動分布不均，而封閉流電池模塊結構使得定面積通流截面的引導繞流區(qū)增大，在質量流量不變的前提下，流速較開放流冷卻結構增大，電池表面對流換熱系數提高，對流換熱量增加，電池模塊最高溫度由34.38 ℃下降到33.76 ℃，冷卻效果得到進一步改善。

圖7 放電末尾電池模塊溫度分布云圖

2.2 電池橫向間隔對電池模組溫度場的影響

選定α=90°，在Sx不同時，基于封閉流空氣冷卻的電池模塊的冷卻性能被進一步研究。

圖8 所示為Sx不同時，放電末尾C1～C4 電池表面面積加權平均溫度分布。由圖8 可以看出，隨著橫向間隔的增大，電池溫度不斷降低，C2 電池溫度降幅最大，幅值達0.98 ℃，冷卻效果得到改善。同時，單體電池間面積加權平均溫度最大溫差也不斷減小，由Sx=29 mm 時的1.13 ℃，降到Sx=37 mm 時的0.52 ℃，電池模塊的溫度一致性得到改善。

圖8 Sx角不同時，放電末尾電池表面面積加權平均溫度分布

根據方程(3)～(6)，Sx不同時，封閉流空冷電池熱管理系統(tǒng)功耗及冷卻指數如圖9 所示。由圖9 可知，空冷電池熱管理系統(tǒng)理想耗功隨著電池間隔的增加而增大，但增加值遠小于封閉流控制角增加所造成的耗功增加，冷卻指數變化則與之相反。Sx在31～33 mm 的間隔變化中，理想功耗顯著增加，這是由于氣流沖擊電池迎風面加劇，動能損失明顯增加所致；而后理想功耗的增幅減緩，則主要是由流動路徑的增長，沿程阻力增加所致。由圖9 可以看出，電池間隔由31 mm 向33 mm 變化時，電池溫度降幅最大，空氣帶走熱量最多，但由于功耗的顯著增加，冷卻指數降幅明顯增大。

圖9 電池間隔不同時功耗和冷卻指數

綜合考慮電池間隔對電池模塊溫度一致性、耗功及冷卻指數的影響，當Sx=35 mm 時，面積加權平均溫度較Sx=29 mm時，最大降幅為0.56 ℃，電池模塊單體電池間面積加權平均溫度最大溫差由1.13 ℃降到0.57 ℃，冷卻效果提高。而功耗及冷卻指數整體變化區(qū)間較窄，均在可接受范圍。

3 結論

本文提出了一種基于封閉流空氣冷卻的鋰離子電池熱管理系統(tǒng)方案。通過數值仿真的方法，研究了封閉流控制角及電池橫向間隔對該系統(tǒng)冷卻性能的影響，結論如下：

(1)電池模組高溫區(qū)位于電池中心軸線區(qū)域，且沿徑向呈放射狀溫度不斷降低。在放電末尾最高溫度可達34.38 ℃，位于電池高性能工作的溫度區(qū)間內。

(2)隨著α的增大，電池表面平均溫度降低。但權衡考慮溫度一致性、功耗及冷卻指數的影響，選擇α=90°為最佳封閉流控制角。因為此時電池模塊最高溫度由34.38 ℃降到33.76 ℃，而電池間面積加權平均溫度最大溫差為0.80 ℃，相比α為其他值時，溫度一致性顯著提高，且功耗較低，但以冷卻指數降低為代價。

(3)隨著Sx的增加，電池表面面積加權平均溫度不斷降低，且溫度一致性不斷提高。權衡考慮功耗及冷卻指數的影響，選擇Sx=35 mm 為最佳橫向間距。因為此時電池單體間平均溫度最大溫差由1.13 ℃降低為0.57 ℃，系統(tǒng)冷卻性能顯著提高，且功耗及冷卻指數整體變化區(qū)間較窄，均在可接受范圍。