車用動力電池模組風冷散熱分析

劉顯茜，王濤，王小勇，王歡

（1.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650500；2.長春理工大學 信息化中心，長春 130022）

鋰離子電池的正常工作范圍在25℃～40℃之間，溫度過高或過低都會對電池放電性能產生影響［1］。對于單電池，溫度過高會加速電池老化，降低循環使用壽命，或引起燃燒和爆炸；溫度過低，充放電性能變差。對于車用動力電池模組，局部溫度過高或溫差過大都會引起動力電池模組整體性能下降。因此，對車用動力電池模組進行熱管理，降低電池模組的最高溫度，提高電池模組的溫度一致性則十分必要。

根據介質不同，電池模組散熱可分為空氣冷卻、液體冷卻、材料相變冷卻及熱管冷卻等［2］。與其他介質相比，空氣冷卻具有結構簡單、易于整車設計，受到諸多廠商青睞。如Fan等［3］分析了電池間距與空氣流速大小對電池模組冷卻效果的影響；Zhao等［4］分析了通風類型、電池間距及單行電池數量等對電池模組溫度場的影響；眭艷輝等［5］對梯形排列圓柱電池模組串、并行通風冷卻進行了計算，分析了其溫度分布。這些研究工作主要是從電池排列、數量、間距和空氣流速等對電池模組溫度場的影響進行了分析，而對散熱結構對車用動力電池模組散熱影響的研究較少，為了進一步降低車用動力電池模組的最高溫度，提高電池模組的溫度一致性，本文對圓形、半圓形及矩形三種不同散熱結構及尺寸條件下的車用動力電池模組溫度場進行計算分析。

圖1 18650電池模組散熱結構

1 模型分析

1.1 物理模型

為了進一步降低車用動力電池模組的最高溫度，提高電池模組的溫度一致性，本文以4×8等間距4mm排列的18650鋰離子電池模組為研究對象，對如圖1所示三種散熱結構對車用動力電池模組散熱影響進行計算分析，冷空氣均從頂部直徑為90mm的圓形進風口鼓入電池箱體。出風口分別為：箱體右側直徑為90mm的圓形出口（I）；箱體底部兩側直徑為90mm的兩個半圓出口（II）；箱體底部兩側40mm×80mm的兩個矩形出口（III）。電池頂端距箱體25mm，電池底部距離箱底10mm。

1.2 數學模型

將電池模組中的單電池看成均勻發熱體，單體電池穩態充放電能量控制方程：

式中，T為溫度；r為電池半徑；kT,r為徑向導熱系數；kT,tan為切向導熱系數；kT,a為軸向導熱系數；q為電池單位體積熱生成率。

鋰離子電池單位體積熱生成率采用Bernardi模型［6］：

其中，I為電池充放電電流；Vb為單體電池體積；Uo為單體電池開路電壓；U1為單體電池的端電壓；等式右邊第一項為電池反應的焦耳熱，第二項為電池反應的可逆熱；式中Uo-U1等于IRcell，Rcell為電池內阻，隨溫度變化如式（3）。

18650電池內部由負極板、隔膜及正極板結構卷繞而成，在不同方向上導熱系數不同，軸向、徑向、切向導熱系數如表1所示：

表1 鋰離子電池的物性參數

根據連續性介質假設，電池模組箱體內冷空氣穩態時滿足以下方程：

式中，v→為速度矢量；p為空氣壓力；ρ空氣密度；cp為空氣定壓比熱容；T為空氣溫度；k空氣導熱系數。

1.3 邊界條件

電池模組箱體進風口為鼓風機出口邊界，壓力為標準大氣壓，溫度為常溫25℃，速度為給定風速；出風口為自由出口邊界條件。電池模組箱體內空氣與箱體內壁間為無滑移絕熱邊界條件，與電池間為無滑移熱風對流邊界條件。根據牛頓冷卻定律，電池與空氣間對流熱交換為：

式中，h為表面熱交換系數；A為面積；Tamb為冷空氣溫度；TW為電池溫度。n為電池表面法向量。

1.4 評價指標

放電過程中電池模組的溫度場評價指標采用電池模組的最高溫度（TMAX）和溫度變異系數（TV）兩個指標評價。

其中，溫度變異系數是衡量電池模組溫度一致性的重要指標。溫度變異系數（TV）定義為［7］：

式中，Tσ為電池組溫度場分布的標準差；Tμ為電池組溫度場平均溫度。

溫度變異系數越小說明電池模組溫度越均勻，一致性越好。

1.5 網格劃分與數值求解方法

利用Pave、Tex/Hybrid、Cooper等方法對電池模組箱體及箱體內電池進行非結構化網格劃分；圓形出口散熱結構網格數量1141920；矩形出口散熱結構934193；半圓出口散熱結構754356。采用Fluent 3D計算求解器應用式（1）-（6）及相應邊界條件對電池模組內電池與冷卻空氣間耦合溫度場進行求解。

圖2 不同散熱結構電池模組最高溫度隨放電倍率的變化曲線

2 結果分析

2.1 散熱結構對電池模組散熱影響

圖2和表2分別為圓形、半圓形及矩形三種散熱結構在進風口風速為5m/s，1C、2C、3C、4C、5C放電倍率時計算得到的電池模組的最高溫度與溫度變異系數。

表2 不同放電倍率條件下，具有圓形、半圓形、矩形散熱結構電池模組的溫度變異系數

由圖2中電池模組的最高溫度隨放電倍率變化曲線可知，在相同工況條件下，矩形散熱結構（Type III）電池模組的最高溫度低于圓形（Type I）和半圓形（Type II）結構電池模組的最高溫度，表明矩形散熱結構散熱性能優于圓形和半圓形散熱結構。

從表2中三種不同散熱結構電池模組在不同放電倍率下的溫度變異系數可以清楚地看出，相比圓形和半圓形散熱結構，矩形散熱結構電池模組的溫度變異系數最小，放電過程中各單電池間的溫度更均勻。單電池的放電性能更為一致。

圖3 不同矩形出口尺寸散熱結構下電池模組組最高溫度隨風速的變化曲線

2.2 尺寸對電池模組散熱影響

為了分析散熱結構出風口尺寸對電池模組散熱影響，對進風口風速為1、2、3、4、5m/s，矩形出風口尺寸分別為40mm×50mm、40mm×60mm、40mm×70mm、50mm×60mm、50mm×70mm、50mm×80mm，電池模組5C放電時，電池模組的最高溫度和溫度變異系數進行了計算。從如圖3不同矩形出口尺寸散熱結構電池模組的最高溫度均隨風速變化曲線可以看出，不同矩形出口尺寸散熱結構對電池模組散熱受風速變化影響程度不同。進口風速1-3m/s，矩形出口尺寸40mm×50mm，電池模組的最高溫度最低，而當進口風速大于3m/s時，矩形出口尺寸40mm×70mm，電池模組的最高溫度最低。

表3 不同出風口尺寸散熱結構的電池模組在不同進口風速下的溫度變異系數

表3為不同矩形出口尺寸散熱結構電池模組在不同風速下的溫度變異系數。由表可知，當進口風速1-3m/s，矩形出口尺寸40mm×50mm時，電池模組溫度變異系數最小，對應進口風速1、2、3m/s，電池模組的溫度變異系數分別為1.34、1.01、1.03。而當風速大于3m/s，矩形出口尺寸40mm×70mm時，電池模組的溫度變異系數最小，對應進口風速4、5m/s，電池模組的溫度變異系數分別為1.30和1.55。

3 結論

（1）矩形散熱結構電池模組的最高溫度和溫度變異系比圓形與半圓形散熱結構都小，放電中矩形散熱結構電池模組的最高溫度低且溫度分布均勻，矩形散熱結構電池模組散熱性能優良。

（2）通過對進風口風速為1、2、3、4、5m/s，矩形出風口尺寸分別為40mm×50mm、40mm×60mm、40mm×70mm、50mm×60mm、50mm×70mm、50mm×80mm，電池模組5C放電時，電池模組的最高溫度和溫度變異系數進行了計算。發現進口風速1-3m/s，矩形出口尺寸40mm×50mm，電池模組的最高溫度和溫度變異系數最低，而當進口風速大于3m/s時，矩形出口尺寸40mm×70mm，電池模組的最高溫度和溫度變異系數最低。

參考文獻

［1］ 王世學，張寧，高明.動力汽車用鋰電池熱管理系統仿真分析［J］.熱科學與技術，2016，15（1）：40-45.

［2］ 蔡飛龍，許思傳，常國峰.純電動汽車用鋰離子電池熱管理綜述［J］.電源技術，2012，36（9）：1410-1413.

［3］ Fan L，Khodadadi J M，Pesaran A A.A parametric study on thermal management of an air-cooled lithium-ion battery module for plug-in hybrid electric vehicles［J］.Journal of Power Sources，2013，238（9）：301-312.

［4］ Zhao J，Rao Z，Huo Y，et al.Thermal management ofcylindricalpowerbattery module for extending the life of new energy electric vehicles［J］.Applied Thermal Engineering，2015，85（6）：33-43.

［5］ 眭艷輝，王文，夏保佳，等.混合動力汽車動力電池組散熱特性實驗研究［J］.制冷技術，2009，29（02）：16-21.

［6］ Abada S，Marlair G，Lecocq A，et al.Safety focused modeling oflithium-ion batteries：A review［J］.Journal of Power Sources，2016，306（2）：178-192.

［7］ 伍瑾斐，巨輝，秦東興.膠體蓄電池組狀態監測方法研究［J］.蓄電池，2012，51（6）：273-277.