锂离子电池组综合对流传热分析

苏科宪，余颖东，陈捷超，任诗皓，田嘉荣，申沁凯

（东莞理工学院 化学工程与能源技术学院，广东 东莞 523808）

0 引 言

随着全球空气质量的急速下降和全球能源危机的加剧，众多国家开始提倡使用新能源和清洁能源。电能作为清洁能源被广泛应用在电车、航天、家庭电器、工业制造等领域。锂离子电池是储存电能的一种载体，凭借能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点被应用于新能源汽车[1]。然而，许多研究表明，锂离子电池的安全性能受充放电过程中的温度影响较大，一般适宜工作在20～45 ℃。若因电池组设计不合理而导致散热不佳，易造成电池温度过高而发生意外[2]。刘振军等针对电动汽车锂离子电池组的散热模型进行了仿真测试与实验测试，结果表明若电池组内部空气不够流通或者换热系数低会造成热量积累，从而导致电池组内部温度分布不合理[3]。

采用数值模拟的方法有助于获取电池组内部的温度场和流场分布信息，可捕捉内部“死流区”的位置及面积[4]。汪缤缤等采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法对48块圆柱锂离子动力电池组成的电池包的冷却性能进行数值模拟，发现电池模组的散热效果并不随着进口风速单调递增，当进口风速超过3 m/s时，综合散热和阻力的散热效率下降明显[5]。袁征等采用CFD软件研究了进风速度及电池间距对锂离子电池包散热的影响，结果表明风速在一定范围内可以降低电池包温度最大值，但是风速超过一定值时电池的散热效率会降低，而调整电池间距可以改善电池温度一致性，并且电池间距对电池包温度的影响更大[6]。李康靖等利用Fluent软件对串行风冷式车用锂离子电池包的温度场和流场进行模拟仿真，分析了电池间距等对串行风冷散热效果的影响，指出电池组的温度均匀性在电池间距为4mm时达到最优，同时提高风速能提高电池包散热效果，改善电池组的温度分布均匀性[7]。Chen等采用了流动阻力网络模型和传热模型来分析电池模组的散热方案，并获得了最佳电池间距[8]。

综上所述，数值模拟有助于获得准确的电池组风冷内部温度场，风速及电池间距的合理配置可提高电池包散热的对流传热效率。因此，下面采用CFD方法对包含8块方型锂离子动力电池的电池组风冷过程进行仿真研究，先后对进口空气速度、电池间距及电池组件的结构进行分析，以获得最优的参数配置。

1 数值模拟和电池模型

1.1 几何模型

电池模组如图1所示。在一个方型电池包中，有8块方型电池横向排列，电池模组尺寸为68 mm×165 mm×169 mm，电池间距为2～5 mm。进气口位于电池模组左下方，低温空气进入电池模组后带走电池产生的热量，从而实现冷却电池的效果。

图1 电池组计算域几何模型示意图

当空气出口位于电池组左上方时，称为同侧冷却模型，见图1（a）；当空气出口位于电池组的右上方时，称为异侧冷却模型，见图1（b）。进出口尺寸为68 mm×22 mm。本文选用的电池尺寸为60 mm×15 mm×15 mm，额定电压为3.60 V，额定容量为3 200 mAh，其余主要电池参数如表1所示[9]。

表1 电池参数

1.2 控制方程

本文采用k-ε湍流模型对控制方程组进行求解，为简化模型，做出以下假设：（1）锂离子电池的热物性参数为常数；（2）空气与电池表面的边界无滑移；（3）对于空气区域，除了扩散项中密度值是温度的函数外，其他控制方程各项中的密度为常数。因此，电池组件内部空气的无量纲连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程如下[1]：

此外，空气导热系数h、雷诺数Re、努塞尔数Nu及阻力系数f的关系式分别为：

式中，ΔH为电池组内的焓值变化；qm为质量流量，Tb为电池平均温度；Ta为空气平均温度；Ab为电池表面积；ρa为空气密度；uin为进口风速；d为进出口当量直径；μ为空气动力粘度；λ为空气导热系数；pout为出口空气压力；pin为进口空气压力。

1.3 模拟设置

电池间距为2 mm的模型网格数目为1 309 277，间距为5 mm的模型网格数为815 973。数值仿真设定在稳定传热条件下以2 C的电流放电，电池生热率为23 000 W/m3。电池模组风冷数值模拟设置进口风速区间为0.5～5.0 m/s，进口空气温度为293.15 K。

2 结果与讨论

2.1 传热效率

图2为风冷电池组件的Nu值随进口风速和电池间距的变化。由图2可知，Nu值随着进口风速单调增大，进口风速为5 m/s时，电池间距为2 mm的同侧风冷模型Nu值可达7.58。在所研究的进口风速条件下，电池间距为2 mm与5 mm时相比，模型的Nu值更大。对于同侧模型，电池间距为2 mm时Nu值对速度的递增斜率为1.38，间距为5 mm时的斜率为0.97。此外，与同侧风冷模型相比，异侧风冷模型的Nu值较小。上述分析可知，采用同侧风冷模型，并增加进口风速和减少电池间距，有利于增加风冷电池模型的Nu值，从而增强空气与电池组之间的换热强度。图3为电池最高温度Tmax随空气速度的变化图。与其他模型相比，电池间隔为5 mm的异侧模型的电池表面温度最高，同时此模型的Nu值最低。此外，电池表面的最高温度Tmax随空气速度单调递减，但Tmax递减的速率逐渐减小，意味着继续增大空气速度不会持续降低Tmax。

图2 同侧和异侧模型电池的Nu值变化

图3 同侧与异侧风冷模型电池表面最高温度随空气速度变化图

图4为进口风速2 m/s、进口风温293.15 K条件下，风冷电池模型截面x=30 mm处的温度场分布。由图4可以看出，电池组底部区域的温度比上部区域低。同侧风冷模型的电池温度比异侧低，温度分布更加均匀，并且异侧模型中左上方电池区域的温度较高，如图4（c）和图4（d）所示，说明同侧风冷电池模组的散热效果更佳。此外，电池间距为2 mm的电池温度低于间距为5 mm的电池温度。对于电池间距为5 mm的异侧风冷模型，电池表面温度超过45 ℃（318.15 K）的区域较多，不能满足电池组的散热要求。

图4 进口风速为2 m/s时风冷电池模型截面x=30 mm处温度分布云图

2.2 流动阻力分析

本文分析流体在流动中的损失与流动阻力的综合情况时，采用阻力系数f与雷诺数Re的乘积fRe值来衡量，对于不同结构类型的电池组具有普遍的参考意义。由图5可知，fRe值随着进口风速的增大近似呈线性增长。电池间距分别为2 mm、5 mm时，同侧风冷模型fRe值的斜率分别为13 458.62、5 827.54，异侧风冷模型fRe值的斜率分别为17 035.14、9 138.40。显然，电池间距为2 mm时fRe值比5 mm时大，同侧模型fRe值比异侧的小。例如，在同侧风冷模型中，风速为5 m/s，电池间距为5 mm的fRe值与2 mm时的差值为39 471；在异侧风冷模型中，此差值为41 504。

图5 同侧和异侧模型fRe值与进口风速的关系

由图6（a）可知，在同侧风冷模型中，截面右上方电池上方处存在一个漩涡，而在异侧风冷模型中则不存在漩涡。通过上文关于进出口方向对Nu值影响的分析可以得出，同侧风冷模型中存在的这一漩涡加强了电池与空气的对流换热。由图6（b）可知，在异侧风冷模型中，异侧模型截面的左上方流线较为稀疏，流动较弱，存在“死流区”[4]，使得空气无法及时把热量带走，导致此处电池温度过高，超过了电池散热要求，如图4（c）和图4（d）所示。

图6 进口风速为2 m/s时风冷电池模型截面x=30 mm处流线分布图

2.3 综合分析

j因子和f阻力系数分别是表征传热系数和压降的相关参数。一般热传递量的增加会导致压降随之增加，因此引入JF因子，该参数可以同时考虑j因子和f因子，可以有效评估不同条件下电池组散热的综合性能[10]。JF因子及j因子的表达式分别为：

式中，Pr为普朗特数；cp为空气定压比热；下标“R”表示参考工况，本文中参考工况为进口风温293.15 K、电池间距5 mm、同侧风冷电池模型。

图7为JF值随进口风速的变化情况。对于参考工况，在所研究的速度范围内，JF值恒定为1。由图7可知，同侧风冷模型的JF值比异侧模型的大，电池间距为2 mm、风速大于2 m/s时JF值都大于1，与参考工况相比其综合性能更优。JF值最大时的工况为速度5 m/s、电池间距2 mm。对于异侧模型，电池间距为5 mm或2 mm，其JF值都低于参考值。因此，对于空气速度低于2 m/s的工况，推荐选择电池间距5 mm的同侧电池风冷模型；当空气速度大于2 m/s时，则推荐选择电池间距2 mm的同侧电池风冷模型。

图7 风冷电池组模型中JF因子与进口风速uin的关系

3 结 论

采用CFD软件仿真模拟的方法，对锂离子电池组的风冷散热性能进行分析，分析了进口风速、电池间距和组件出风口位置3种因素的影响，得出如下结论：采用同侧风冷模型，并增加进口风速和减少电池间距，可利于增加风冷电池模型的Nu值；同侧风冷模型的流动阻力比异侧的小，而且进口风速的增大与电池间隔的减小都会导致流动阻力增大；进口风速大于2 m/s时，推荐选择电池间距为2 mm的同侧电池风冷模型。