混合動力車電池模組冷卻結構優化

劉 研， 谷 風， 陳 承

(1. 吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室， 吉林 長春 130025； 2. 吉林大學 汽車工程學院， 吉林 長春 130025)

動力電池系統作為混合動力驅動電機的主要能量來源，其性能受溫度影響較大.電池模組溫度過高、過低甚至溫度不均勻都會影響電池的壽命、容量及一致性.因此，電池模組采用串行通風和并行通風結構進行冷卻，以提高其性能.

對于串行通風結構，調整風側流動狀態可以改善換熱效果.秦大同等[1]在原有電池模組的進風口區域加一個濾網以調節進風流量和流速.Mohammadian等[2]通過在流道內添加釘狀翅片來增加空氣的行程，提高空氣利用率；之后，又在空氣流道中添加多孔材料泡沫鋁，并對泡沫鋁所占流道長度的4種情況進行了對比.Xun等[3]發現，增大流道尺寸可以提高冷卻效率但不利于溫度分布的均勻性.樓英鶯[4]對電池模組流道結構進行改進，將電池模組流道結構設計成了梅花形和波浪形，并用仿真軟件對其進行仿真分析.

眾多學者研究電池模組整體結構的串行通風.Park等[5]對串行通風結構的電池排列形式、電池間距進行研究，結果表明扁平式電池小間距排列時所需風量最小，耗能最少.Mahamud等[6]提出了一種往復流冷卻結構，避免了由單向進風造成的靠近入口處電池溫度低、遠離入口處電池溫度高的問題，改善了電池模組的溫度一致性.Lin等[7]在Mahamud等[6]的基礎上對往復通風主動控制進行進一步研究，制定了控制策略并進行了驗證.Wang等[8]研究了風扇位置、電池排列形式、電池間距等因素對空氣冷卻的影響，并通過仿真分析得到了最優組合.

上述都是針對串行通風結構，另有一些學者對電池模組并行通風結構進行研究。陳曦云等[9]使用空氣放大器將壓縮空氣作為冷卻介質對電池模組冷卻.常國峰等[10]研究了進風角度和進風形式等結構參數對均勻進風的影響.Fan等[11]研究了電池間距和入口流量對并行通風冷卻效果的影響.Park[12]通過數值模擬研究了不同進出風口位置對電池模組溫度的影響，發現進出口非同側時散熱效果較好.Karimi等[13]分別使用空氣、硅油和水3種介質對電池模組進行冷卻，通過改變進出口位置找到溫度場和流場的最優結構.Liu等[14]建立了壓力損失方程，提出一種適用于并行通風結構的快捷計算方法，并利用此方法研究了流道結構、電池間距對電池溫度的影響.

基于并行通風結構，研究了楔形、梯形和圓孔擋板3種進風結構的進風效果，并對有均勻進風效果的圓孔擋板結構設計了平行冷卻與垂直冷卻2種冷卻方式.最后,通過仿真分析實現了通風結構優化.

1 原電池模組仿真分析

本文研究的混合動力重型車的動力電池為方形磷酸鐵鋰離子電池.電池箱散熱結構采用的是傳統并行通風結構，底部平直進風，電池模組之間流道相互獨立.原電池模組實物結構及簡化結構如圖1所示.

a 實物結構

b 簡化結構圖1 原電池箱結構Fig.1 Structure of original battery box

1.1 數值計算模型

由于電池本身材料的多樣性及電池充放電過程的復雜性，數值模擬時作出以下假設：

(1) 電池各層材質均勻，熱物性參數不隨電池溫度和荷電狀態的改變而變化.

(2) 電池模組充電時吸熱，放電時放熱，放電溫度比充電溫度高，所以散熱時只考慮放電過程.

(3) 電池放電時，電池放電倍率恒定，電池熱源設為穩定的體熱源.

(4) 電池在正常工作情況下，溫度一般在60 ℃以內，輻射換熱較小，可以忽略不計.

(5) 將空氣看作不可壓縮且物性參數不隨溫度變化的恒密度氣體，密度為1.185 kg·m-3、比定壓熱容為1.005 kJ·(kg·℃)-1、普朗特數為0.702 、運動黏度為1.553×10-7m2·s-1.

對于電池模組傳熱過程，不僅有電池內部固體導熱過程，還有電池外壁與空氣的對流換熱過程，因此電池模組傳熱過程是一個典型的流固耦合傳熱問題.電池模組采用自然對流散熱時，選用層流模型.電池模組采用強制對流散熱時，流動類型為湍流，模擬中選擇標準k-ε湍流模型[15].

為了引導空氣流向，電池箱出口處采用排風扇.入口邊界類型為大氣壓，入口空氣溫度為25 ℃，相對壓力為0；出口邊界類型為速度進口，流速為-5 m·s-1.電池標稱容量2.0 C倍率放電，體熱源為34 601 W·m-3.

1.2 結果分析

在2.0 C倍率放電時，電池模組垂直流道中心截面流場分布和溫度分布如圖2所示.

圖2 電池模組溫度云圖和流速矢量圖Fig.2 Temperature cloud and velocity vector diagram of battery module

從圖2可以看到：整個流道最大流速為17.24 m·s-1，而靠近入口處平均流速僅6.00 m·s-1；電池模組電池溫度分布也不均勻，最左側電池最高溫度達到40.25 ℃，電池表面最大溫差為12.01 ℃，電池溫度均勻性和電池模組溫度一致性較差.

2 電池模組結構改進

2.1 電池模組均勻進風改進

在不改變原電池模組排列方式的情況下，通過改變進風形式和流道結構，設計3種不同電池模組結構，分別為楔形結構、梯形結構、圓孔擋板結構，如圖3所示.

a 楔形結構b 梯形結構

c 圓孔擋板結構圖3 均勻進風電池模組結構Fig.3 Battery module structures with uniform air inlet

楔形結構和梯形結構均為一側進風、一側出風，圓孔擋板結構為兩側進風、中間出風.前兩種結構，電池模組固定在底部兩邊的筋條上，空氣從電池間隙流出；圓孔擋板結構是在電池間隙處開孔，空氣經過圓孔，從而達到對電池進行冷卻的目的，如圖4中的箭頭所示.

圖4 圓孔擋板結構二維示意圖Fig.4 Two-dimensional schematic diagram of circular hole baffle structure

電池以2.0 C倍率放電，假設空氣入口溫度(25 ℃)和流速(5 m·s-1)恒定且相等，對3種電池模組結構進行散熱仿真分析.

2.1.1電池模組流場

出口速度均為5 m·s-1時，得到電池模組垂直流道中心截面的速度云圖(見圖5).

通過圖5可以看到，一側進風的楔形結構和梯形結構，靠近進風側的空氣流速仍然較低，僅有6.0 m·s-1.這是因為入口處的流道底部比進風口高出一截，空氣沒有導流作用，流入較少.同時，由于流道面積較大，其余流道的最高流速也只有17.7 m·s-1和21.2 m·s-1，與原電池模組結構相比改善效果并不明顯.由于采用兩側進風中間出風，圓孔擋板結構流量分布相對均勻，流速大小基本相等，而且由于流道面積變小，相同流量下速度變大，最高流速可達44.7 m·s-1.由傳熱學可知，溫差和換熱面積一定時流速越大換熱量越大.通過3種結構的流速大小及分布云圖可以發現，3種結構中圓孔擋板結構在均勻進風方面是最好的.

a 楔形結構

b 梯形結構

c 圓孔擋板結構圖5 不同結構電池模組垂直流道中心截面速度云圖

Fig.5Velocityclouddiagramofverticalchannelmiddlesectionofbatterymodulefordifferentstructures

2.1.2電池模組溫度場

在電池初始溫度30 ℃、2.0 C倍率放電，空氣入口溫度25 ℃、出口流速5 m·s-1時，得到3種結構的電池模組垂直流道中心截面溫度云圖和流速矢量圖,如圖6所示.

由圖6可知：在2.0 C倍率放電下，楔形結構、梯形結構、圓孔擋板結構的電池最高溫度分別為40.52、39.74、38.32 ℃.雖然電池最高溫度均未超過工作適宜溫度45 ℃，但是前兩個結構由于靠近入口處風道的風量和流速較小，靠近入口處的電池最高溫度明顯偏高，因此降低了電池模組電池間的溫度一致性.電池間最大溫差分別為11.93、11.48、8.08 ℃，雖然電池最大溫差都超過了工作適宜溫差5 ℃，但是圓孔擋板結構的電池最大溫差明顯低于前兩種結構，提高了電池的溫度均勻性.

2.2 電池模組冷卻維度改進

上述圓孔擋板結構中，空氣只是流經了電池前后表面，因此只在一個維度上進行了冷卻，并未對兩側面進行冷卻，如圖6所示.接下來對圓孔擋板結構在冷卻維度上進一步改進，分別在電池側面的擋板處開孔和在電池箱一側開孔，如圖7所示.前者空氣流向平行，稱平行冷卻；后者空氣流向垂直，稱垂直冷卻.

a 楔形結構

b 梯形結構

c 圓孔擋板結構圖6 不同結構電池模組垂直流道中心截面溫度云圖和 流速矢量圖

Fig.6Temperaturecloudandvelocityvectordiagramofverticalchannelmiddlesectionofbatterymodulefordifferentstructures

a 平行冷卻

b 垂直冷卻圖7 圓孔擋板結構冷卻維度改進后二維示意圖

Fig.7Two-dimensionalschematicdiagramofcircularholebafflestructurewithimprovedcoolingdimension

2.0 C倍率放電時，得到不同冷卻維度下電池模組溫度云圖，如圖8所示.為使散熱結果更加直觀，添加了截面流道的流速矢量圖.通過圖8可以看到，在2.0 C放電倍率下，如果空氣流量相同，平行冷卻和垂直冷卻對電池模組的冷卻效果差異并不是很大，電池最高溫度和最大溫差分別在37 ℃和7 ℃左右.相比之前一維冷卻，電池側面最高溫度由原來37 ℃降到35 ℃，熱量集中在了電池模組上下表面.

a 平行冷卻

b 垂直冷卻圖8 不同冷卻維度下電池模組溫度云圖和流速矢量圖

Fig.8Temperaturecloudandvelocityvectordiagramofbatterymodulewithdifferentcoolingdimensions

由于電池是內部產熱，最高溫度出現在電芯內部及沿空氣流向的電池末端表面處，因此平行冷卻的電池模組中上端溫度明顯偏高，而垂直冷卻的電池模組中部流經空氣處溫度較為均勻.因此，從電池模組溫度一致性的角度來看，垂直冷卻比平行冷卻更有優勢.

3 雙流道垂直冷卻結構的散熱特性分析

雖然平行冷卻和垂直冷卻都可以對電池前后面和兩側面進行二維冷卻，但2種冷卻方式有著本質上的區別.除了流向垂直，垂直冷卻的流道還相互獨立.2個流道的風機可以單獨控制，能夠更靈活地對電池模組溫度進行控制.由于平行冷卻不利于液體流道的布置，因此本文將重點研究垂直冷卻的雙流道二維冷卻結構的散熱特性.

3.1 放電倍率對電池溫度的影響

1.0 C倍率以內，電池產熱較少，采用自然對流進行冷卻；1.0 C到3.0 C倍率下產熱較大，自然對流已不能滿足換熱要求，必須進行強制對流冷卻.電池表面最高溫度和最大溫差隨放電倍率的變化關系如圖9和圖10所示.

圖9 電池表面最高溫度和放電倍率的關系Fig.9 Relationship between battery surface maximum temperature and discharge rate

圖10 電池表面最大溫差和放電倍率的關系Fig.10 Relationship between battery surface maximum temperature difference and discharge rate

當環境溫度在常溫25 ℃時，電池在0.8 C倍率下放電時無需強制風冷，自然對流即可滿足散熱需求；當電池放電倍率在0.8 C到2.4 C之間時，風扇出口流速為5 m·s-1仍能滿足散熱需求，電池表面最高溫度不會超過45 ℃；當電池放電倍率超過2.4 C后，同等轉速下的風扇將不能滿足散熱需求，很難將電池溫度控制在合理范圍內.

在低倍率放電時，電池產熱較少，自然冷卻后電池表面最大溫差保持在較小范圍內，在電池放電倍率為1.0 C時，電池表面最大溫差僅為1.28 ℃.隨著放電倍率的增加，電池產熱較多，由于電池本身材料的多樣性和各向異性導致未被冷卻或冷卻效果不好的地方熱量積累.當放電倍率低于1.6 C時，電池表面最大溫差還能維持在5 ℃以內；當放電倍率高于1.6 C時，電池表面最大溫差已經超過適宜溫差5 ℃.

3.2 環境溫度對電池溫度的影響

由第3.1節分析可知，在1.0 C放電倍率下，自然對流已經無法滿足電池模組的散熱要求.在2.0 C倍率以上放電，即使環境溫度較低(5 ℃)，電池溫度也遠遠超過適宜溫度.因此，2.0 C以上倍率放電時必須開啟風扇進行強制對流換熱.

在放電倍率一定(2.0 C)、入口流速5 m·s-1情況下，環境溫度(實際等于電池箱入口空氣溫度)分別為5、10、15、20、25、30、35 ℃時，得到的電池表面最高溫度和最大溫差隨環境溫度的變化如圖11所示.

圖11電池表面最高溫度和電池表面最大溫差隨環境溫度變化

Fig.11Variationofbatterysurfacemaximumtemperatureandbatterysurfacemaximumtemperaturedifferencewithambienttemperature

從圖11可以看出，電池表面最高溫度和環境溫度成線性相關.當環境溫度低于30 ℃時，通過風扇強制通風就能將電池最高溫度控制在45 ℃以內.環境溫度越低電池表面最高溫度也越低，所需的冷卻時間也就越短，進而風扇所需的能耗也相應降低.當環境溫度大于30 ℃時，風扇散熱能力明顯降低，很難將電池溫度控制下來，尤其是高溫(>35 ℃)環境下.如果還僅選擇風扇冷卻，已經不能滿足散熱需求，很容易出現電池溫度過高，導致熱失控、著火等安全問題.盡管空氣入口溫度不一樣，但是電池表面最大溫差卻沒有改變，始終都是7.93 ℃.這說明當發熱量一定、散熱方式一樣并且能夠滿足散熱需求時，平衡后的電池溫差是個恒定值，由本身材料決定，不隨環境溫度的改變而改變.

3.3 出口流速對電池溫度的影響

本文研究的風扇是排風扇，進出口邊界類型分別是壓力入口和速度出口(速度為負).由于截面一定時，流量決定了風速，因此將出口流速改變作為調節入口流量的一個手段進行研究.其他條件不變，在出口流速為2、4、6、8、10 m·s-1時，電池表面最高溫度和最大溫差隨出口流速變化如圖12所示.

圖12出口流速對電池表面最高溫度和電池表面最大溫差的影響

Fig.12Effectofexitflowvelocityonbatterysurfacemaximumtemperatureandbatterysurfacemaximumtemperaturedifference

由圖12可以看到，電池表面最高溫度和最大溫差隨出口流速的增加而降低.這是由于流速越大，空氣流量也越大，從而帶走的熱量也越多.在工程應用中，考慮到成本、能耗和噪音等問題，不能無限增大流速.

當出口流速低于2 m·s-1時，電池表面最高溫度超過最高適宜溫度45 ℃；當出口流速大于2 m·s-1時，電池能夠工作在適宜的溫度區間.在2 m·s-1到6 m·s-1之間，隨著流速增加，電池表面最高溫度下降較快；當出口流速大于6 m·s-1時，電池表面最高溫度下降速度緩慢.這表明，最高溫度隨著出口流速的增加有所降低，但增加到一定值后效果就不再明顯，所以為了節省風機能耗，選擇合適的流速即可.另外，即使出口流速達到10 m·s-1，電池表面最大溫差依然高于目標溫差5 ℃，不滿足電池均勻性要求.這是因為空氣只流經了電池前后面和左右側面，熱量積累在電池未經冷卻的上下表面，造成溫差偏高.在后文中將通過添加液冷板來進一步改善電池表面的溫度均勻性.

3.4 電池間距對電池溫度的影響

決定電池間空氣流道寬度的主要因素是電池間距.因此，在其他條件一定，電池間距為2、4、6、8、10 mm時，對2.0 C倍率放電下電池進行散熱仿真分析，得到的電池表面最高溫度和最大溫差隨電池間距變化如圖13～15所示.

圖13反映的是電池溫度均勻性，圖14反映的是電池模組溫度一致性.由圖13、14可知：隨著電池間距增大，電池表面最大溫差和內外最大溫差均降低，電池溫度均勻性得到提升；隨著電池間距增大，電池模組表面最高溫度有所增加，但是由圖15可知，判斷電池模組表面溫度一致性和內外溫度一致性的溫差標準差先降低后增加，說明單純從電池表面最大溫差來判斷電池模組溫度一致性是片面的，從整體的偏差程度來看將更有意義.

圖13 電池間距和電池最大溫差的關系Fig.13 Variation of battery maximum temperature difference with battery gap

圖14 電池模組表面溫度及表面最大溫差

Fig.14Surfacetemperatureandsurfacemaximumtemperaturedifferenceofbatterymodule

圖15 電池溫差的標準差Fig.15 Standard deviation of temperature difference between batteries

電池間距對電池最大溫差影響較大，2～6 mm時，電池最大溫差隨電池間距的增加而下降明顯，約達到1 ℃·(2 mm)-1，6 mm后降速有所減緩.電池間距對電池模組表面最高溫度影響較小，2 mm時為37.45 ℃，10 mm時為38.42 ℃，間距增大8 mm，最高溫度增加還不到1 ℃.電池模組表面最低溫度隨電池間距增加而增加明顯，電池間距每增大2 mm，電池模組表面最低溫度增加約1 ℃，由此導致電池模組表面最大溫差隨著間距增大反而有所降低.如圖15所示，電池間距每增大2 mm，電池模組表面最大溫差降低約0.5 ℃.

由此可見，在一定范圍內電池間距對電池模組表面最高溫度影響較小.合理增大電池間距不僅可以提高電池溫度均勻性，還能有效降低電池表面最大溫差，但間距過大時電池模組溫度一致性反而有所降低.

4 結論

(1) 小倍率下(<0.8 C)放電時，自然對流即可滿足散熱需求；大倍率(>2.4 C)放電時，強制風冷不能滿足散熱需求.

(2) 當環境溫度超過30 ℃時，電池模組溫度很容易超出適宜溫度區間，強制風冷亦不能滿足散熱需求.

(3) 從換熱效果、能耗和維護成本等角度綜合分析，出口流速6 m·s-1較優.

(4) 隨著電池間距增大，電池溫度均勻性和電池模組溫度一致性均得到提高，但電池模組表面最高溫度反而增加，建議電池間距選擇4～6 mm.