基于CFD的電池散熱模型仿真和分析

張小帆，王 粵

（廣東技術師范大學 汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510450）

電動汽車安全問題的研究離不開其使用的動力源電池包。電池包在運作的時候會產生大量的熱，熱會在電池包內積累，隨著車輛的使用，電池包內的部件會老化損傷，安全隱患極高，如何給電池包散熱就顯得非常重要。

風冷散熱根據通風的方式可以分為串行通風和并行通風。串行通風所占的面積相對并行較小，但是在空氣經過上游時已被電池加熱，當空氣流動到下游時其冷卻效果不如上游。而并行通風能夠解決串行通風散熱不均勻的問題。

在鋰離子電池組風冷熱管理這一項研究上，已有眾多國內外學者針對風冷結構的優化進行過研究，MAHAMUD等[1]設計了循環冷卻結構，通過左右兩個閥門的開閉，來控制氣流的流向，以此形成往返氣流，避免了氣體溫度較大溫差。王世學等[2]使用 Fluent軟件研究了翅片對于強制風冷系統散熱效果的影響，研究表明加入翅片后電池的最高溫度明顯降低，該結構的散熱效果好。馬強[3]通過增加輔助散熱孔和氣體引流板使電池包內的單體最大溫差可以控制在9.8 K以內。許超等[4]對電池組實施了軸向送風策略，他們對電池組的中間擋板的結構進行改造，增大了通風面積，降低了最高溫度。LIU等[5]建立壓力損失方程，研究了風道結構、電池單體間距對散熱效果的影響，在風道外形上做出改進形成了波浪形電池組等。

通過對以上文獻的研究發現，增強散熱結構的散熱能力多是改變散熱結構的本體或者增加散熱輔助部件，但在改變散熱結構和增添輔助件的時候不僅要考慮散熱的性能，也要考慮散熱結構的體積，體積越大，耗材也越多，重量也越大，不利于整車減重，所以本次散熱結構的優化不僅會改變散熱結構增加輔助件，還會考慮到整個散熱機構的體積大小。

1 鋰離子電池各項參數的選定

1.1 鋰離子電池物理參數

仿真選用某品牌的磷酸鐵鋰方形軟包鋰離子電池，具體參數如表1所示。

表1 鋰離子電池參數

1.2 鋰離子電池熱物性參數以及生熱速率

使用 Fluent仿真必須要知道鋰離子電池的各項熱物性參數和它的生熱速率熱物性參數，計算結果如表2所示。

表2 鋰離子熱物性參數

1）密度ρ：鋰離子電池的密度等于其總質量與總體積之比，可由以下公式得出：

2）比熱容Cp：鋰離子電池比熱容可由以下公式計算得出：

式中，m為單體電池質量；Ci和mi為電池內部材料比熱容和質量。

3）電池導熱系數：電池每個方向的導熱系數可以通過電路的等效電阻法計算出來[6]。X、Y、Z三個方向上的導熱系數可由以下公式計算出：

式中，dxp、dxn、dxs分別為X方向上正極、負極以及隔膜的厚度；λp、λn、λs分別為電池正負極和隔膜的導熱系數；l、b、h分別為電池在X、Y、Z方向的長度。

4）生熱速率計算可由以下公式[6]計算得出

式中，q為電池生熱功率；I為充充電時的電流大小；E0為電池開路電壓；Et為負載電壓；T為電池平均溫度；Vb為電池核心生熱部分體積，本文取（0.369 36×10-3）m3；Rt為電池內阻，本文取0.7 mΩ；(dU0)/dT為電池電壓隨溫度變化速率的溫度系數，取 0.5 V/K。根據式（6）計算的鋰離子電池在不同充電倍率下的生熱速率如表3所示。

表3 不同充電倍率下鋰離子電池生熱速率

2 散熱結構優化與仿真

2.1 鋰離子電池模組模型

由表1的電池尺寸建立仿真所使用的電池模組為五個串聯的方形軟包電池，每個電池間的間隔為10 mm，電池模組三視圖和電池模組各結構組成如圖1所示，電池從左到右分別編號電池1、電池 2、電池 3、電池 4、電池 5。電池模組由電池本體，正極耳，負極耳和連接母排組成，在以下仿真中，電池1始終最接近進風口。

圖1 電池模組結構以及三視圖

2.2 仿真環境以及仿真設置

本文對串行風道及并行風道進行散熱分析，并與結構改進后的風道散熱性能進行對比。仿真實驗所設置的環境：初始環境溫度25 ℃，來流溫度25 ℃，進風口速度2 m/s，電池充電倍率皆為1 C。仿真時所使用的湍流模型為sst k-omega，由于本次仿真研究的是自然對流下的換熱，所以電池表面的換熱系數設置為h=5 W/m2·K。

2.3 串行通風散熱結構

串行通風下的散熱結構如圖2所示。為了節省空間，散熱結構盡量貼近電池模組，串行散熱結構X方向總長為298 mm，Y方向總長為150 mm，Z方向總長為186 mm，電池模組本體各面與散熱結構面的間距為30 mm，圖中箭頭方向為進風方向，箭頭所指為進風口。

圖2 串行散熱結構

圖3為在Fluent進行設置仿真后，串行散熱結構中鋰離子電池的溫度云圖，最低溫度為30.9 ℃，最高溫度為35.2 ℃，各電池溫度情況如圖3所示。由溫度云圖可以看出，電池的溫度越靠近進風口處的越低，且電池組中部的溫度即電池2、電池3、電池4的溫度是最高的，在出風口處電池5的溫度反而相對較低，經過分析得出，由于在出口處會形成回流，所以電池 5作為最后一塊電池的溫度會有所下降。

圖3 串行散熱的溫度云圖

2.4 并行通風散熱結構

并行通風散熱結構的設計可分為進口在下、出口在上和進口在上、出口在下兩種情況，圖4為并行通風進口在上出口在下和并行通風進風口在下出口在上的主視圖。圖4(a)箭頭為進風方向，所指為進風口；圖4(b)箭頭為進風方向，所指為進風口。進出口的尺寸一致：長度為186 mm，寬度為100 mm，厚度為50 mm。

圖4 并行通風兩種情況的主視圖

圖5為對Fluent進行設置仿真后鋰離子電池模組的生熱情況，最低溫度為30.7 ℃，最高溫度為34.2 ℃。

圖5 并行通風進口在下的溫度云圖

現在將進出口上下顛倒，建立并行通風進口在下出口在上的散熱結構，并在 Fluent中設置仿真，其鋰離子電池組的溫度云圖如圖6所示。電池組的最高溫度為34.2 ℃，最低溫度為30.0 ℃。與串行通風下電池組的溫度作比較可知并行通風的冷卻效果比串行通風的冷卻效果更優。

圖6 并行通風進口在上的溫度云圖

將串行通風以及并行通風進口在下和進口在上的兩種結構內鋰離子電池溫度分布列表比較，如表4所示。提取表4中電池組的最低溫度和最高溫度作圖7對比后可得出，并行通風結構的散熱效果比串行通風結構的散熱效果好，最高溫度的差值可達 1 ℃。在并行通風兩種結構互相對比后，可以得出并行通風進口在下出口在上的散熱效果比進口在上出口在下的散熱效果好，雖然兩者電池組的最低溫度和最高溫度相近，但對比每個電池的溫度情況可以得出，并行通風進口在下出口在上中電池單體的溫度要更低。根據本次比較，接下來將在散熱結構為并行通風且進口在下，出口在上的形式基礎上繼續優化。

圖7 串行與并行的電池組溫度對比

表4 串行和并行通風兩種散熱結構內鋰離子電池溫度最低、最高溫度對比 單位：℃

2.5 并行通風散熱結構的優化

2.5.1 附加散熱孔

通過增加散熱結構的散熱孔，可以增強散熱能力，以下將做出仿真驗證，增加散熱孔的并行通風散熱結構如圖8所示。在散熱結構的左右兩側各增加四個散熱孔，散熱孔的尺寸：寬15 mm，長175 mm，每個散熱孔間的間隔為22.5 mm。

圖8 散熱孔結構

修改完散熱結構后，在 Fluent中進行仿真，鋰離子電池組的生熱情況如圖9所示。最高溫度為29.9 ℃，最高溫度為33.7 ℃，對比并行通風未附加散熱孔的溫度：最低溫度30.0 ℃，最高溫度34.2 ℃，可得出增加散熱箜篌，散熱結構的散熱能力提高的結論。

圖9 增加輔助散熱孔后電池溫度情況

2.5.2 改變進風口的角度

根據常國峰等[7]的研究，得知改變進風口的角度可以改變散熱結構的散熱能力，下文將在 4°～14°的區間中抽出角度α為 4°、6°、8°、10°、12°、14°六個讀數的進風口傾角進行仿真，如圖10所示，再對比散熱效果以及結構體積后選用最佳的進風口傾角。

圖10 改變傾斜角度進風口三視圖

經過Fluent仿真設置，導入CFD-Post中得出結果后，提取單個電池和電池組的最低最高溫度以及每個傾斜角度對應的結構高度如表5所示。

表5 不同進風口角度的鋰離子電池最低、最高溫度對比以及散熱結構的高度

從表5中對比電池組的最高溫度和最低溫度，可以得出，進風口的傾斜度越大，散熱結構的散熱能力越好，但是隨著傾斜度增大，散熱結構的高度也會增加。對比高度可以得出高度在大于 8°后就開始增加，因為高度大于 8°之后散熱結構右邊的底端被抬高，散熱結構不再能夠將電池組包裹住，所以需要將散熱結構的進風口底端向下延伸，這樣就會使得散熱結構的高度增加。高度增加會伴隨著材料的消耗以及散熱結構占用的體積和重量增加。所以綜合考慮散熱能力以及散熱結構的體積，最終選擇進風口角度為8°的散熱結構。

3 結論

1）根據某品牌的方形軟包電池建立電池的三維模型，構造了最基本的串行通風風道并在其基礎上優化散熱結構，再通過 Fluent仿真求得散熱結構內電池的溫度分布情況。

2）改變散熱結構的通風方式從串行通風到并行通風，電池的溫度明顯下降，再在散熱機構表面增加輔助散熱孔，也能達到優化散熱性能的目的。最后研究比較了各傾斜角度的進風口，綜合散熱效果和散熱機構的體積占比選擇了傾斜角度為 8°的進風口。最終優化得出的散熱結構為并行通風，進風口在下出風口在上，帶有輔助散熱孔，進風口傾斜角度為 8°的散熱結構。得到優化結構的電池組生熱情況為在1 C充電倍率下電池組最大溫差為3.9 ℃，最高溫度為33.7 ℃，最低溫度為29.8 ℃，比較最初的串行風道整體溫度下降1.5 ℃左右。