電池包進出口通道設計與仿真研究

葛哲

摘要：提出了調整電池包進出口通道大小和位置的方法，用來改善電池組的散熱性能。結果顯示，進出口通道大小縮小至原始模型進出口通道的0.5倍時，電池組的散熱效果最好。然后平移進出口通道，得到通道平移2.5mm有最好的散熱效果。該進出口通道設計為電池熱管理系統提供了新的優化方案。

Abstract： A method to adjust the size and position of the inlet and outlet channel of battery pack is proposed to improve the heat dissipation performance of battery pack.The results showed that the heat dissipation of the battery pack was best when the size of the inlet and outlet channel was reduced to 0.5 times that of the original model.Then translate the import and export channel， get channel translation 2.5mm has the best heat dissipation effect.The design of the inlet and outlet channel provides a new optimization scheme for the battery thermal management system.

關鍵詞：電池熱管理;空氣冷卻;進出口通道設計;數值仿真

Key words： battery thermal management;air cooling;inlet and outlet channel design;numerical simulation

中圖分類號：TM914.4;TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0021-02

0? 引言

近年來隨著全球范圍內汽車行業的快速發展，發展新能源汽車成為解決問題的重要舉措[1]。電池充放電會釋放熱量，而過高的熱量會影響電池的使用壽命，甚至發生爆炸[2]。為了使鋰離子電池具有較優的工作環境，需要將電池組溫度控制在20℃到40℃之間，最大溫差不超過5℃[3]。本文從進出口通道設計方面入手，找到具有較優的散熱方案。

1? 模型描述

本文所研究的電池包模型的尺寸為260×26×73 mm，電池與電池間距和電池與箱壁的間距均為4mm，圖1鋰電池組是由1×8縱向排列的8個18650電池組成，模擬時選取的環境溫度為25℃，風量恒定為1.898m3/s，表1顯示的是電池主要參數。電池發熱強度是74163W/m3[4]。

1.1 改變進出口通道的大小

在電池包進出口處向電池包內延伸40mm，作為進出口通道，如圖2顯示，按箭頭方向移動進口處板1和出口處板2，從而達到收縮進出口的目的，本文縮減的進出口大小依次設置為原始模型進出口大小的0.5倍、0.25倍、0.125倍。

1.2 移動進出口通道的位置

在以上研究中的最優進出口大小的基礎上，分別將進出口通道相向移動相同的距離，進出口通道移動的方向如圖3顯示，研究進出口通道移動距離對電池組最高溫度，最大溫差，平均溫度及壓降的影響。移動距離選取1.5mm、2.5mm、3.5mm、4.5mm、5.5mm、6.5mm。

2? 仿真分析

2.1 邊界條件

本文研究的模型包括冷卻空氣部分的流體區和電池部分的固體區，分別采用速度入口和壓力出口作為入口條件和出口條件，環境溫度為25℃，動量和能量方程采用二階迎風格式離散。

2.2 改變進出口通道大小的熱分析

如圖4，圖5顯示，當進出口通道相對原始模型進出口通道的倍數較小時，電池組的最高溫度與最大溫差均較低，平均溫度較小，壓降越大。而當進出口相對于原始模型進出口0.5倍時，此時壓降大小為21.14Pa，壓降相對于原始模型增加了6.69Pa，而最高溫度降低了1.12℃（3.36%），最大溫差減小了0.28℃（5.41%），平均溫度降低了1.09℃（3.19%）。當進出口通道大小相對于原始模型進出口通道的0.5倍，能取得較優的散熱效果。

2.3 移動進出口通道的熱分析

圖6、圖7顯示的是進出口通道平移不同的距離，電池組對應的最高溫度，最大溫差以及平均溫度和壓降，如圖6，圖7所示，當進出口通道的移動距離為2.5mm時，此時電池組的最高溫度和最大溫差最小。電池組的平均溫度達到最低，壓降略有升高，此時電池組的壓降為21.32Pa，與原始模型相比較，電池組壓降增大了6.87Pa，在可接受的范圍內，而電池組的最高溫度降低了2.79℃（7.75%），最大溫差減小了1.16℃（22.35%），最大溫差降低了2.4℃（7.01%）。

3? 結論

本文對電池包的進出口通道進行調整，通過縮減進出口通道的大小以及移動進出口通道位置的方法，達到改善電池組散熱性能的作用。通過得到的數據對比，證實本方法的有效性和可行性。結果表明：①當進出口通道大小相當于原始模型中進出口通道大小的0.5倍時，與原始模型相比，此時電池組的最高溫度降低了1.12℃（3.36%），最大溫差減小了0.28℃（5.41%），平均溫度降低了1.09℃（3.19%）。②在進出口通道大小為原始模型進出口通道0.5倍的基礎上，當平移距離為2.5mm時，此時電池組的具有較優的散熱性能，與原始模型相比，此時電池組的最高溫度降低了2.79℃（7.75%），最大溫差減小了1.16℃（22.35%），最大溫差降低了2.4℃（7.01%）。

參考文獻：

[1]談秋宏.電動汽車用鋰離子電池的熱特性研究[D].北京交通大學，2018.

[2]楊勇.18650鋰離子電池產熱模型及運用研究[D].重慶大學，2018.

[3]X.F. Lin， H. Fu， H.E. Perez， J.B. Siege， A.G.? ?Stefanopoulou， Y. Ding， Parameterization and observability analysis of scalable battery clusters for onboard thermal management， Oil Gas Sci. Technol. Revue d’IFP Energies Nouvelles 68 （2013） 165-178.

[4]Yuqi Huang， Yiji Lu， Rui Huang， et al. Study on the thermal interaction and heat dissipation of cylindrical Lithium-Ion Battery cells. 2017， 142：4029-4036.

[5]Sihui Hong， Xinqiang Zhang， Kai Chen， et al. Design of flow configuration for parallel air-cooled battery thermal management system with secondary vent. 2018， 116：1204-1212.