基于鋰電池模組的風(fēng)冷方式研究

趙帥帥　鄭士鵬　吳建軍

摘 要：風(fēng)冷技術(shù)雖已廣泛應(yīng)用于動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)，但目前鋰電池系統(tǒng)風(fēng)冷的研究主要集中在如何利用電芯間隙冷卻，電芯排布方式和模組進(jìn)出風(fēng)口形式的設(shè)計(jì)上，然而這些方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的限制。針對(duì)以上問題，本文在模組底部加裝導(dǎo)熱墊及散熱片，同時(shí)利用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)該技術(shù)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析對(duì)比加裝不同形式的散熱片，電池模組內(nèi)電芯溫度的差異。結(jié)果表明，模組底部加裝散熱片能夠快速的將電芯的熱量傳遞給冷卻氣流，并有效降低電芯間的溫差;交錯(cuò)翅片型散熱片的散熱性能優(yōu)于平直翅片型散熱片;翅片數(shù)量及厚度在一定程度上影響了散熱片的散熱性能。

關(guān)鍵詞：鋰電池模組 散熱片 風(fēng)冷 數(shù)值模擬

Research on Air Cooling Method based on Lithium Battery Module

Zhao Shuaishuai，Zheng Shipeng，Wu Jianjun

Abstract：Although air-cooling technology has been widely used in power lithium battery systems， the current research on air-cooling lithium battery systems is mainly focused on how to use the cell gap cooling， the cell arrangement method and the design of the module air inlet and outlet. These methods have certain limitations in practical applications. In response to the above problems， this article installs a thermal pad and a heat sink at the bottom of the module， and uses computational fluid dynamics to numerically simulate the technical solution， and analyzes and compares the installation of different types of heat sinks， and the cell temperature in the battery module. The results show that installing a heat sink at the bottom of the module can quickly transfer the heat of the cells to the cooling airflow， and effectively reduce the temperature difference between the cells; the heat dissipation performance of the staggered fin type heat sink is better than that of the flat fin type heat sink ; the number and thickness of the fins affect the heat dissipation performance of the heat sink to a certain extent.

Key words：lithium battery module， heat sink， air cooling， numerical simulation

近年來，隨著化石能源的過度開采，能源危機(jī)已成為人們面臨的一大難題，同時(shí)化石能源的過度利用亦導(dǎo)致了較為嚴(yán)重的環(huán)境污染。基于此，鋰電池動(dòng)力技術(shù)已成為各國爭(zhēng)相發(fā)展的前沿技術(shù)。然而隨著動(dòng)力鋰電池系統(tǒng)的快速發(fā)展，鋰電池的能量密度越來越大，電芯發(fā)熱量也隨之逐步增大，而溫度對(duì)電池的性能和壽命等影響較大[1]，傳統(tǒng)的自然散熱方式已無法滿足電芯的溫度要求，風(fēng)冷及液冷已成為目前鋰電池冷卻的主要方式，本文主要探討風(fēng)冷的研究方案。為使風(fēng)冷有效的解決鋰電池的溫度和溫差問題，國內(nèi)外諸多研究者從如何利用電芯間隙冷卻，電芯排布方式和模組進(jìn)出風(fēng)口形式的設(shè)計(jì)等方面，對(duì)鋰電池風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

Pesaran A.A[2]對(duì)比分析了串行通風(fēng)與并行通風(fēng)對(duì)電池冷卻的影響，研究表明并行通風(fēng)能夠使冷卻氣流均勻的流經(jīng)電池流道。Kim J等[3]對(duì)電池模組的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，研究表明通風(fēng)結(jié)構(gòu)的角度較為明顯的影響了電池的溫度均勻性。陳磊濤等[4]從流道形式和進(jìn)出口導(dǎo)流板的角度優(yōu)化了散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。張新強(qiáng)等[5]分析了通風(fēng)孔對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響。

目前對(duì)于鋰電池風(fēng)冷的研究主要集中在如何利用電芯間隙冷卻，電芯排布方式和模組進(jìn)出風(fēng)口形式的設(shè)計(jì)上，然而這些方法對(duì)于空間有限且電量要求較高的動(dòng)力電池包，即高度密集的熱源而言，其實(shí)用性存在一定的局限性。針對(duì)以上問題，本文研究了鋰電池模組底部加裝散熱片的可行性，并對(duì)比分析了散熱片的不同形式對(duì)散熱片換熱及阻力性能的影響。

1 鋰電池模組物理模型的建立

研究對(duì)象如圖1及圖2所示，鋰電池模組底部為散熱片，模組與散熱片之間加裝導(dǎo)熱墊，模組內(nèi)包含12個(gè)磷酸鐵鋰電芯，單體電芯尺寸為200mm×175mm×27.7mm。

仿真模型的建立基于以下假設(shè)：?jiǎn)误w電芯為體積熱源;電芯為一內(nèi)部材料均勻的實(shí)體，比熱容，密度及導(dǎo)熱系數(shù)均為常數(shù)，其中導(dǎo)熱系數(shù)為平面各向異性;溫度變化范圍較小，因此假設(shè)熱物性參數(shù)為定值;電池包實(shí)際運(yùn)行時(shí)電芯發(fā)熱量是隨時(shí)間變化的，本文假設(shè)電芯恒定發(fā)熱量10W，該方法能夠有效的對(duì)比不同形式散熱片換熱和阻力性能的優(yōu)劣，并且能夠比較方便快捷的得出仿真結(jié)果。電芯，導(dǎo)熱墊，散熱片及空氣的熱性能參數(shù)如表1所示。

鋰電池模組風(fēng)冷散熱過程的物理模型滿足以下方程：

式中u為速度，ρ為密度，η為分子擴(kuò)散所造成的動(dòng)力粘性，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度，cp為定壓比熱容。

2 研究方案

在模組底部加設(shè)冷風(fēng)道，如圖3所示，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速2.5m/s，溫度20℃;導(dǎo)熱墊1.5mm;本文主要研究兩種散熱片，圖4為平直翅片型散熱片，圖5為錯(cuò)位翅片型散熱片。散熱片長寬高為360mm×157mm×25mm，基板厚度5mm，每排翅片數(shù)量40，翅片厚度2mm，翅片間距7.2mm。錯(cuò)位翅片型散熱片翅片間斷缺口5mm，內(nèi)部翅片長度20mm，兩端翅片長度7.2mm;進(jìn)出風(fēng)口面積為360mm×25mm。分析不同形式的翅片對(duì)電芯溫度和阻力的影響，本文中的電芯溫度均為電芯的平均溫度。

3 結(jié)果分析

3.1 散熱片形式對(duì)散熱片性能的影響

平直翅片型散熱片的冷卻效果如圖5所示，電芯最高溫38.1℃，最低溫37.8℃，溫差0.3℃。單體電芯頂部與底部溫差基本在9℃左右，該溫差取決于電芯的發(fā)熱量及導(dǎo)熱系數(shù)。散熱片前后壓差9.8Pa，阻力較小。可見散熱片能夠有效的將熱量傳遞至冷卻氣流，同時(shí)模組內(nèi)電芯溫差較小，溫度均勻性較好。

交錯(cuò)翅片型散熱片的冷卻效果如圖7所示，電芯最高溫36.3℃，最低溫36.2℃，溫差0.3℃。散熱片前后壓差17.7Pa。

交錯(cuò)翅片型散熱片比平直翅片型散熱片的電芯溫度低1.8℃，冷卻效率更高，同時(shí)其阻力增大81%，增幅較大。交錯(cuò)翅片型散熱片較為適合高度密集型的熱源模型。

3.2 翅片參數(shù)對(duì)散熱片性能的影響

針對(duì)錯(cuò)位翅片型散熱片，利用控制單因素變量法，保持其它散熱片參數(shù)不變，改變翅片的厚度，進(jìn)行數(shù)值模擬。電芯最高溫度與阻力隨翅片厚度變化的曲線如圖8所示，電芯溫度隨著翅片厚度的增大而降低，其降低的趨勢(shì)逐漸減緩;阻力隨翅片厚度的增大而急劇增大，趨勢(shì)近似于二次函數(shù)曲線。本文中不同散熱片的仿真結(jié)果顯示，鋰電池模組內(nèi)電芯間溫差均在0.3℃以內(nèi)，溫差較小，后文中不再對(duì)比溫差的變化。

圖9所示為不同翅片厚度的散熱片部分區(qū)域的速度云圖，翅片厚度對(duì)換熱的影響主要有三方面：氣流速度，換熱面積以及氣流擾動(dòng)程度。其中換熱面積和氣流擾動(dòng)程度的影響較小，主要的影響因素為氣流的速度。翅片厚度的增大會(huì)導(dǎo)致更多的氣流直接沖擊下游翅片并且產(chǎn)生更大范圍的流體對(duì)沖現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致較大的局部壓力損失，同時(shí)氣流速度的增大會(huì)造成較大的沿程壓力損失。因此翅片厚度的增大會(huì)導(dǎo)致阻力急劇增大。

針對(duì)錯(cuò)位翅片型散熱片，利用控制單因素變量法，保持其它散熱片參數(shù)不變（翅片厚度2mm），改變翅片的數(shù)量，進(jìn)行數(shù)值模擬。電芯最高溫度與阻力隨翅片數(shù)量變化的曲線如圖10所示，電芯溫度隨著翅片數(shù)量的增大而明顯降低，其降低的趨勢(shì)逐漸減緩;阻力隨翅片數(shù)量的增大而呈現(xiàn)出近似線性的增大趨勢(shì)。對(duì)比圖8可以看出，相較于翅片厚度，翅片數(shù)量的增大降溫效果更顯著，并且其阻力增幅較小。

圖11所示為不同翅片數(shù)量的散熱片部分區(qū)域的速度云圖，翅片數(shù)量對(duì)散熱片性能的影響主要有三方面：

①翅片數(shù)量決定了翅片間距的大小，從而決定了散熱片內(nèi)的氣流速度，氣流速度決定了翅片間流道內(nèi)的邊界層的大小，從而影響散熱片的換熱和阻力性能;同時(shí)翅片數(shù)量決定了上游氣流沖擊下游翅片的數(shù)量和沖擊速度，因此翅片數(shù)量決定了翅片間斷處的氣流擾動(dòng)程度，進(jìn)而影響了散熱片的換熱和阻力性能。

②翅片數(shù)量決定了冷卻氣流與散熱片的接觸面積，從而影響對(duì)流換熱熱阻，影響散熱片的換熱性能。

③因翅片為并聯(lián)排列，故翅片數(shù)量也影響散熱片的導(dǎo)熱熱阻，從而影響散熱片的換熱性能。

4 結(jié)語

①鋰電池模組底部加裝散熱片能夠有效的將電芯的熱量傳遞至冷卻氣流，且鋰電池模組內(nèi)電芯間的溫差較小;

②交錯(cuò)翅片型散熱片的換熱性能優(yōu)于平直翅片型散熱片，同時(shí)其阻力也較大;

③增大翅片厚度能夠降低電芯溫度，但其降溫效果不明顯，且其阻力較大;

④增加翅片數(shù)量能夠明顯的降低電芯溫度，且其阻力增幅較小。

參考文獻(xiàn)：

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[4]陳磊濤，許思傳，常國峰.混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)流場(chǎng)特性研究汽車工程，2009，31（03）：224-227

[5]張新強(qiáng)，洪思慧，汪雙鳳.增設(shè)通風(fēng)孔的風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)數(shù)值研究[J]. 新能源進(jìn)展，2015，3（6）：422-428.