基于Fluent的并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化

馬金銘，高曉梅，李倩文

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基于Fluent的并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)的仿真及優(yōu)化

馬金銘，高曉梅，李倩文

（長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

文章利用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)的溫度場進(jìn)行計(jì)算，然后通過在與冷卻通道相對的會聚靜壓室壁上增設(shè)二次排氣口對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高冷卻系統(tǒng)的冷卻性能。結(jié)果表明，在恒產(chǎn)熱率的情況下，二次排氣口的位置對冷卻系統(tǒng)的冷卻性能有很大的影響，二次排氣口設(shè)置在靠近入口的冷卻通道上有效提高了冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，電池組的最高溫度和最大溫差均降低了2k以上。

Fluent；并聯(lián)式風(fēng)冷；二次排氣口；溫度場分布

前言

當(dāng)今世界面臨嚴(yán)峻的能源短缺與環(huán)境污染問題，發(fā)展電動汽車是大勢所趨。電池組作為電動汽車的動力組成，其在工作時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量，若不能將這部分熱量及時(shí)排出，將出現(xiàn)電池溫度過高和溫度分布不均勻，最終可能導(dǎo)致電池失效甚至爆炸，影響電動汽車的壽命和安全性。

目前應(yīng)用較為廣泛的冷卻方式包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料（PCM）冷卻、冷卻板冷卻[1]?？諝饫鋮s由于成本低、結(jié)構(gòu)簡單成為最常用的方法之一。Pesaran[2]對串聯(lián)式風(fēng)冷和并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)的冷卻性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，并聯(lián)式風(fēng)冷有更好的冷卻效果。因此，本文針對并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)進(jìn)行研究和優(yōu)化。

1 仿真計(jì)算模型的建立

1.1 建立三維模型

設(shè)置系統(tǒng)的入口和出口寬度均為20mm，入口和出口的長度均為100mm。該電池由9個(gè)電池組成，電池尺寸為17mm×120mm×44mm，電池間隙為3mm。其三維模型如圖1所示。

圖1 并聯(lián)式風(fēng)冷三維模型

1.2 網(wǎng)格劃與邊界條件的設(shè)置

1.2.1網(wǎng)格劃分

在Gambit中對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)約為9萬個(gè)。如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.2.2設(shè)置邊界條件

（1）入口，設(shè)置為velocity-inlet（速度入口）；

（2）出口，設(shè)置為pressure-outlet（壓力出口）；

（3）二次通風(fēng)口，設(shè)置為outlet-vent（排氣通風(fēng)口）；

（4）壁面，默認(rèn)為wall。

2 Fluent計(jì)算及結(jié)果分析

2.1 Fluent模型設(shè)置

氣流速度遠(yuǎn)小于聲速，空氣視為不可壓縮流體。由于雷諾數(shù)大于104，氣流狀態(tài)為湍流，故采用帶k-ε湍流模型的N-S方程[3]。控制方程如下：

式中：ρ為空氣密度；ui、uj為不同方向的速度分量；p表示壓力；cp為空氣的比熱容；T是溫度；λ為流體傳熱系數(shù)；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率；η為分子動力粘度系數(shù)；ηt為湍流粘度系數(shù)；C1、C2、σk、σε、σT為k-ε湍流模型的參數(shù)。

式中：Cu是k-ε湍流模型的參數(shù)。

從最近幾年的文獻(xiàn)[4-6]中發(fā)現(xiàn)σk、σε、σT、C1、C2、Cu經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值基本一致。

2.2 熱物性參數(shù)設(shè)置

表1、表2分別給出了空氣和電池的熱物性參數(shù)。

表1 空氣熱物性參數(shù)

表2 電池?zé)嵛镄詤?shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

設(shè)置環(huán)境溫度300K，入口風(fēng)速為 5m/s，壁面無滑移，對流換熱系數(shù)取 10W/(m2?K）。

圖3 溫度圖

由圖3可知，電池組的最高溫度為314.5K，最低溫度為306.5K，離進(jìn)氣道越近電池溫度越高。最大溫差達(dá)8.0K。

3 散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方案

圖4 二次排氣口位置示意圖

在與冷卻通道相對的會聚靜壓室壁上增設(shè)二次排氣口，排氣口寬10mm。二次排氣口位置如圖4。

3.2 優(yōu)化后仿真結(jié)果

表3給出了不同位置的二次排氣口的仿真結(jié)果。“0”表示沒有二次排氣口的原始系統(tǒng)?！皀”(n=1,2,3,……,10)表示二次排氣口位于第n個(gè)冷卻通道的冷卻系統(tǒng)。

表3 有、無二次排氣口的仿真結(jié)果

結(jié)果表明，與原來的系統(tǒng)中，二次排氣口1對于改善冷卻系統(tǒng)的性能最有效，最高溫度降低了2.0 K，最大溫差減小2.4K，最大溫差的改善率達(dá)到30%。而對于10號排風(fēng)口，冷卻系統(tǒng)的性能與原系統(tǒng)相比幾乎沒有改變。

4 結(jié)論

利用 Fluent 軟件對并聯(lián)式風(fēng)冷電池系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對原系統(tǒng)和改進(jìn)后系統(tǒng)進(jìn)行對比分析得出：

（1）二次排氣口的位置對冷卻系統(tǒng)的冷卻性能有很大的影響；

（2）在恒產(chǎn)熱率的情況下，選擇靠近入口的對著冷卻通道的二次排氣口有效提高了系統(tǒng)的冷卻性能。

（3）對于最佳優(yōu)化結(jié)果，電池組的最高溫度和最大溫差均降低了2k以上。

[1] 方雄燦.電動汽車鋰離子電池組熱特性分析及電池箱體散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2017.

[2] Ahmad A.Pesaran.Battery thermal model for hybrid vehicle simula -tions[J].Journal of Power Sources,2002,110(2):377-382.

[3] Chen K,Chen YM,Li ZY,et al.Design of the cell spacing of battery pack in parallel air-cooled battery thermal management system[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018,127:393-401.

[4] Matthias Wagner,陸立明編.熱分析應(yīng)用基礎(chǔ)[M].東華大學(xué)出版社, 2011.

[5] 傅德熏,馬延文.計(jì)算流體力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6] FLUENT Inc[J].FLUENT 6.1.22 User’s Guide,2003.

Simulation and optimization of parallel air-cooled battery system based on Fluent

Ma Jinming, Gao Xiaomei, Li Qianwen

（School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi’an 710064)

In this paper, the temperature field of the parallel air-cooled battery system are calculated by using the comput -ational fluid dynamics software Fluent. Then the cooling system is optimized by adding a secondary vent on the wall of the convergence plenum against the cooling channel to improve the cooling performance of the cooling system. The results show that under the condition of constant heat generation rate, the position of the secondary vent has a great influence on the cooling performance of the cooling system. The cooling performance of the cooling system is effectively improved by locating the secondary vent against the cooling channel around the battery cell with the maximum temperature. And the maximum temperature and the maximum temperature difference of the battery pack is reduced by 2k.

Fluent;Parallel air cooling;Secondary vent;Temperature field distribution

U462

B

1671-7988(2019)08-45-03

U462

B

1671-7988(2019)08-45-03

馬金銘，碩士，就讀于長安大學(xué)，研究方向：低溫與制冷。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.014