鋰離子動力電池風(fēng)道模型設(shè)計與散熱仿真

董小平，張錦濤，李 健，張昭卿

(1.河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002；2.保定市新能源車輛動力工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071002；3.河北省新能源汽車動力系統(tǒng)輕量化技術(shù)創(chuàng)新中心(籌)，河北 保定 071002)

1 引言

電動汽車的能量提供在于動力電池，其性能的好壞直接影響電動汽車的運行。在汽車行駛過程中，電池放電時產(chǎn)生的熱量散失快慢以及不同位置的溫差勢必影響電池性能，尤其是電池的使用壽命。在眾多車用動力電池中，鋰離子電池應(yīng)用尤為廣泛。目前，鋰離子動力電池主要以風(fēng)冷、液冷和相變冷卻等方式散熱，相比之下，后二者散熱效果較好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；風(fēng)冷雖然散熱效果低，但其散熱結(jié)構(gòu)簡單、成本低。因此，風(fēng)冷已廣泛用于動力電池模組的散熱[1-3]。如馬強等采用串行出風(fēng)口與并行進風(fēng)口后，電池包溫度分布均勻性提高，同時還發(fā)現(xiàn)，放電倍率影響電池的發(fā)熱和不同位置的溫差，倍率較高時，其不同位置的發(fā)熱量和溫差均較大[4]。另外，對模擬電池增加輔助散熱孔后電池的最高溫度可降低6.3 ℃，增加氣體引流板后可將電池模組最大溫差縮小到5.9 ℃。王明強等發(fā)現(xiàn)，在-20 ℃下加熱時，短時間內(nèi)三元軟包裝鋰離子電池溫度幾乎不變，但25 min后電池不同位置出現(xiàn)溫差，最大溫差值為7.9 ℃；在40 ℃下，1.5 C快充工況下，電池溫度不超過48 ℃，最大溫差為3.9 ℃[5]。姚程寧等報道，當熱功率密度為0.365 8 W·cm-2時，強制風(fēng)冷散熱條件下，采用微通道熱管陣列技術(shù)可維持熱源處表面溫度在45 ℃以下，溫差低于1.3 ℃，低于無微通道熱管陣列導(dǎo)熱情況下的溫差(3.8 ℃)，與燒結(jié)熱管組的溫度相比，微通道熱管陣列組的最大溫度可降低15.1 ℃，表面溫差降低14 ℃，這說明微通道熱管陣列技術(shù)具有顯著降溫和均溫等優(yōu)勢[6]。基于以上，本文以5×10等間距排列的18650鋰離子電池模組為研究對象，對鋰離子動力電池風(fēng)道模型進行了設(shè)計，并進行不同條件下的散熱仿真。

2 模型與仿真

2.1 鋰離子動力電池生熱機理

為了分析電池的產(chǎn)熱狀況，首先對電池進行簡化條件假設(shè)：(1)電池同一部分的組成物質(zhì)、密度與比熱容相同且恒定；(2)電池在各個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)恒定；(3)電池產(chǎn)熱均勻且不變；(4)電池的初始溫度與環(huán)境溫度保持一致；(5)電池輻射傳熱和對流傳熱不考慮。

基于假設(shè)(1)、(2)和(5)，形成電池熱耦合模型公式[7-9]，如等式(1)：

(1)

(2)

式(1)中，ρ為電池密度；Cp為比熱容；T為電池熱力學(xué)溫度；t為時間；λr、λφ、λz分別為柱坐標三個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；q為單位體積電池生熱速率，其計算公式如等式(2)。式(2)中，q為生熱速率；I為電流強度；V為電池體積；EOC為電池開路電壓；U為電池工作電壓；T為電池熱力學(xué)溫度；dEOC/dT為溫熵系數(shù)，常取0.3 mV·K-1。

本論文以18650鋰離子電池(LG、MJ1、3.5 Ah)為研究對象，直徑為18 mm，高為65 mm。該電池與空氣的熱物理參數(shù)如表1所示。

表1 熱物理參數(shù)表[7]Table 1 Thermophysical parameter table[7].

2.2 風(fēng)道模型建立

為了研究電池的散熱性能，對風(fēng)道方向進行橫向和縱向風(fēng)道設(shè)置，分別如圖1(a)和圖1(b)。在圖1(a)中，采用5×10排列，進風(fēng)口為楔形式，與水平夾角為10°，風(fēng)道出風(fēng)口尺寸為25×228 mm2，進出風(fēng)口與箱體外壁之間的間距均為5 mm；電池之間的間距為4 mm，中心距為22 mm，電池組與出入風(fēng)口側(cè)壁面的間距為9 mm，與兩側(cè)壁面的間距為6 mm，電池頂部與箱體的間距為10 mm。縱向風(fēng)道除了出風(fēng)口位置和出風(fēng)口尺寸(25×118 mm2)進行了改動外，其余參數(shù)與橫向風(fēng)道模型一致。在橫向風(fēng)道模型的基礎(chǔ)上，電池排布的俯視圖采用長方形、錯位、梯形和雙梯形等排布(如圖2)；它們對應(yīng)的出風(fēng)口尺寸分別為：25×272 mm2、25×272 mm2、25×237 mm2和25×272 mm2。

圖1 電池包模型(a)橫向風(fēng)道模型，(b)縱向風(fēng)道模型Fig.1 Battery pack model (a)transverse duct model,(b)longitudinal duct model.

圖2 電池排布俯視圖(a)長方形，(b)錯位，(c)梯形(d)雙梯形Fig.2 Top view of battery arrangement (a) rectangular,(b) dislocation,(c) ladder,(d) double trapezoid.

為了進一步提高風(fēng)道的散熱能力，基于橫向風(fēng)道模型，提出兩種方案進行優(yōu)化。方案1：在其進風(fēng)口側(cè)壁上方增加一個出風(fēng)口，其尺寸為25×228 mm2，如圖3(a)；方案2：基于方案1，在模型兩側(cè)壁面上分別開設(shè)4個散熱孔，每個孔的面積為5×50 mm2，孔與孔的間距為10 mm，孔上端距離電池包頂端為15 mm，與出風(fēng)口側(cè)相距最近的散熱孔與該側(cè)壁的距離為47 mm，如圖3(b)。

圖3 電池包模型(a)方案1，(b)方案2Fig.3 Battery pack model (a)scheme 1,(b)scheme 2.

2.3 網(wǎng)格劃分

首先進行流體設(shè)置與邊界設(shè)置。在ANSYS AIM軟件中，選用流體固體熱傳遞進行仿真。模型的進風(fēng)口空氣溫度設(shè)置為25 ℃，即為環(huán)境溫度，風(fēng)速分別為1 m·s-1、2 m·s-1、3 m·s-1、4 m·s-1和5 m·s-1，風(fēng)的強度和黏度比適中；同時，出口的靜壓為0，壁面與空氣的對流交換熱系數(shù)設(shè)置為15 W·m-2·C-1。

其次進行網(wǎng)格劃分與求解設(shè)置。選用ANSYS AIM軟件中流體固體熱傳遞形式劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的單元形狀為四面體，保留中間節(jié)點，邊界層平滑過渡，單元數(shù)量為561 186，節(jié)點數(shù)量為164 951，結(jié)合流體設(shè)置與邊界設(shè)置進行求解，殘差設(shè)置為容差1×10-5。網(wǎng)格劃分如圖4。

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh division.

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)道方向與電池排布對電池模組散熱的影響

為了對比橫縱風(fēng)道模型對電池散熱的影響，在設(shè)置風(fēng)速下采用1 C進行放電。橫縱向風(fēng)道模型中俯視圖以長方形排列的電池隨風(fēng)速的溫度變化如圖5。由圖5可知，在本文研究的范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速增加，電池的最高溫度、最低溫度、平均溫度以及溫差均降低，即當風(fēng)速從1 m·s-1增加到5 m·s-1時，橫向風(fēng)道模型的電池最高/最低/平均溫度/溫差分別從37.73 ℃、30.07 ℃、33.55 ℃和7.66 ℃降低到31.36 ℃、26.31 ℃、28.20 ℃和5.05 ℃；縱向風(fēng)道模型的電池最高/最低/平均溫度分別從39.17 ℃、29.17 ℃、34.08 ℃和9.99 ℃降低到32.95 ℃、26.28 ℃、28.56 ℃和5.66 ℃。對比橫縱向風(fēng)道模型的電池溫差，發(fā)現(xiàn)在測試的相同風(fēng)速下，橫向風(fēng)道模型的電池的最高溫度的溫差低于縱向風(fēng)道模型的電池溫差，這說明橫向風(fēng)道模型散熱性能優(yōu)于縱向風(fēng)道模型。因此，在橫向風(fēng)道模型基礎(chǔ)上，研究電池排列方式對電池溫度的影響。在不同排列方式下，電池溫度隨風(fēng)速的變化圖如圖6。在四種電池排列方式下，隨著風(fēng)速增加，電池的最高溫度、平均溫度和溫度差均降低。相比之下，在不同風(fēng)速下梯形方式排布時的電池最高溫度、最低溫度、平均溫度相對較小，錯開排布時的電池最高溫度相對較高；長方形排布時的電池最低溫度與平均溫度相對較高。另外，不同排列方式的電池溫度差(見圖6(d))與風(fēng)速有關(guān)，當風(fēng)速為1 m·s-1時，電池溫度差由大到小的順序為：錯開排列、梯形排列、長方形排列、雙梯形排列。但風(fēng)速大于1 m·s-1時，電池的溫差由大到小的排列順序為：錯開排列、長方形排列、雙梯形排列、梯形排列。

圖5 電池溫度對風(fēng)速的變化(a)橫向，(b)縱向Fig.5 Changes of battery temperature to wind speed (a) horizontal,(b) vertical.

圖6 不同排列方式下電池溫度和溫差隨風(fēng)速的變化(a)最高溫度，(b)最低溫度，(c)平均溫度，(d)溫度差Fig.6 Battery temperature and temperature difference vary with wind speed in different arrangements.(a) highest temperature,(b) lowest temperature,(c) average temperature,(d) temperature difference.

3.2 方案改進對電池模組散熱的影響

根據(jù)改進圖3，不同方案下電池溫度和溫差隨風(fēng)速的變化如圖7。與長方形排布的電池溫度相比，在不同風(fēng)速下的方案改進后的電池的最高溫度、平均溫度、溫差均降低，而最低溫度均增加。

圖7 不同方案下電池溫度和溫差隨風(fēng)速的變化(a)方案1，(b)方案2Fig.7 Variation of battery temperature and temperature difference with wind speed under different schemes (a) scheme 1,(b) scheme 2.

與長方形排列的電池的橫向風(fēng)道模型相比較，在1 C下，當風(fēng)速為1 m·s-1、2 m·s-1、3 m·s-1、4 m·s-1和5 m·s-1時：對于方案1：最高溫度降幅分別為7.29%、9.28%、8.32%、8.20%、7.84%；平均溫度降幅分別為0.21%、0.62%、1.06%、1.08%、1.10%；溫差降幅分別為51.04%、55.59%、53.64%、54.45%、54.26%。最低溫度增幅分別為3.86%、2.52%、1.81%、1.43%、1.10%。

對于方案2：最高溫度降幅分別為9.65%、11.06%、10.02%、9.60%、9.18%；平均溫度降幅分別為0.39%、0.95%、1.02%、1.08%、1.17%；溫差降幅分別為81.85%、79.35%、77.81%、77.50%、77.03%。最低溫度增幅分別為8.75%、6.29%、5.15%、4.48%、3.84%。

由以上可知，與電池長方形排列相比，方案2的電池的最高溫度、平均溫度、溫差降幅度明顯高于方案1，而最低溫度增幅明顯高于方案1。

由以上可知，方案2的散熱能力較好，為了進一步研究方案2的散熱效果，在初始溫度25 ℃、3 m·s-1風(fēng)速條件下，獲得了不同放電倍率的溫度分布圖以及電池溫度、溫差，如圖8和表2。由圖8可知，在相同電池單體數(shù)量下，接近出風(fēng)口2側(cè)(見圖3)的電池溫度相對較高，接近出風(fēng)口1側(cè)電池溫度相對較低。同時，從出風(fēng)口2側(cè)向出風(fēng)口1側(cè)，電池溫度是逐漸降低，這說明出風(fēng)口1側(cè)電池散熱量比出風(fēng)口2側(cè)多。另外，由進風(fēng)口到出風(fēng)口1，放電倍率影響不同排電池的顏色分布。當1 C、2 C時，電池顏色變化為：深淺黃色→少量深黃色+占主導(dǎo)的淺黃色→少量淺綠色和占主導(dǎo)的淺黃色→少量的綠色和占主導(dǎo)的淺黃色→少量的深藍色和占主導(dǎo)的中藍色；3 C時，電池顏色變化為：深淺黃色→少量的綠色和占主導(dǎo)的淺黃色→少量淺綠色和占主導(dǎo)的淺黃色→少量的綠色和占主導(dǎo)的藍色→深藍色。在1 C和2 C放電倍率下電池溫度中，相對高的溫度分布相對較多，而相對低的溫度分布相對較少；在3 C放電倍率下電池溫度中，相對高的溫度分布相對較少，而相對低的溫度分布相對較多。由溫度云圖可獲得電池的溫度和溫度差，如表2。由表2可知，電池的最高溫度、最低溫度、平均溫度和溫差的由小到大的順序為1 C，2 C，3 C。另外，在3種放電倍率下，電池的溫差都相差不大，這說明對方案2的電池模型結(jié)構(gòu)，其散熱性能相對較好。

圖8 不同放電倍率下方案2溫度云圖(a)1 C，(b)2 C，(c)3 CFig.8 Temperature nephogram of Scheme 2 at different discharge rates.(a) 1 C,(b) 2 C,(c) 3 C.

表2 不同放電倍率下方案2的電池溫度變化Table 2 Changes of cell temperature in scheme 2 at different discharge rates.

4 結(jié)論

(1)在相同風(fēng)速下，橫向風(fēng)道模型的電池溫差低于縱向風(fēng)道模型的電池溫差。

(2)隨著風(fēng)速增加，電池的最高溫度、平均溫度和溫差均降低。風(fēng)速大于1 m·s-1時，電池的溫差由大到小的排列順序為：錯開排列、長方形排列、雙梯形排列、梯形排列。

(3)散熱比較好的風(fēng)道模型是：橫向風(fēng)道/一個進風(fēng)口+二個出風(fēng)口(一個在進風(fēng)口側(cè)，一個在進風(fēng)口對面壁上)+兩側(cè)風(fēng)口壁上分別開設(shè)四個散熱孔。由一個進風(fēng)口+兩側(cè)壁面上分別開設(shè)4個散熱孔。該風(fēng)道模型電池的最高溫度、平均溫度、溫差降幅度較大；在設(shè)置的放電倍率下，電池的溫差僅為1.34 ℃～4.0 ℃。