鋰離子電池組綜合對流傳熱分析

蘇科憲，余穎東，陳捷超，任詩皓，田嘉榮，申沁凱

（東莞理工學(xué)院 化學(xué)工程與能源技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

0 引 言

隨著全球空氣質(zhì)量的急速下降和全球能源危機(jī)的加劇，眾多國家開始提倡使用新能源和清潔能源。電能作為清潔能源被廣泛應(yīng)用在電車、航天、家庭電器、工業(yè)制造等領(lǐng)域。鋰離子電池是儲存電能的一種載體，憑借能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于新能源汽車[1]。然而，許多研究表明，鋰離子電池的安全性能受充放電過程中的溫度影響較大，一般適宜工作在20～45 ℃。若因電池組設(shè)計不合理而導(dǎo)致散熱不佳，易造成電池溫度過高而發(fā)生意外[2]。劉振軍等針對電動汽車鋰離子電池組的散熱模型進(jìn)行了仿真測試與實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明若電池組內(nèi)部空氣不夠流通或者換熱系數(shù)低會造成熱量積累，從而導(dǎo)致電池組內(nèi)部溫度分布不合理[3]。

采用數(shù)值模擬的方法有助于獲取電池組內(nèi)部的溫度場和流場分布信息，可捕捉內(nèi)部“死流區(qū)”的位置及面積[4]。汪繽繽等采用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法對48塊圓柱鋰離子動力電池組成的電池包的冷卻性能進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)電池模組的散熱效果并不隨著進(jìn)口風(fēng)速單調(diào)遞增，當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速超過3 m/s時，綜合散熱和阻力的散熱效率下降明顯[5]。袁征等采用CFD軟件研究了進(jìn)風(fēng)速度及電池間距對鋰離子電池包散熱的影響，結(jié)果表明風(fēng)速在一定范圍內(nèi)可以降低電池包溫度最大值，但是風(fēng)速超過一定值時電池的散熱效率會降低，而調(diào)整電池間距可以改善電池溫度一致性，并且電池間距對電池包溫度的影響更大[6]。李康靖等利用Fluent軟件對串行風(fēng)冷式車用鋰離子電池包的溫度場和流場進(jìn)行模擬仿真，分析了電池間距等對串行風(fēng)冷散熱效果的影響，指出電池組的溫度均勻性在電池間距為4mm時達(dá)到最優(yōu)，同時提高風(fēng)速能提高電池包散熱效果，改善電池組的溫度分布均勻性[7]。Chen等采用了流動阻力網(wǎng)絡(luò)模型和傳熱模型來分析電池模組的散熱方案，并獲得了最佳電池間距[8]。

綜上所述，數(shù)值模擬有助于獲得準(zhǔn)確的電池組風(fēng)冷內(nèi)部溫度場，風(fēng)速及電池間距的合理配置可提高電池包散熱的對流傳熱效率。因此，下面采用CFD方法對包含8塊方型鋰離子動力電池的電池組風(fēng)冷過程進(jìn)行仿真研究，先后對進(jìn)口空氣速度、電池間距及電池組件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以獲得最優(yōu)的參數(shù)配置。

1 數(shù)值模擬和電池模型

1.1 幾何模型

電池模組如圖1所示。在一個方型電池包中，有8塊方型電池橫向排列，電池模組尺寸為68 mm×165 mm×169 mm，電池間距為2～5 mm。進(jìn)氣口位于電池模組左下方，低溫空氣進(jìn)入電池模組后帶走電池產(chǎn)生的熱量，從而實(shí)現(xiàn)冷卻電池的效果。

圖1 電池組計算域幾何模型示意圖

當(dāng)空氣出口位于電池組左上方時，稱為同側(cè)冷卻模型，見圖1（a）；當(dāng)空氣出口位于電池組的右上方時，稱為異側(cè)冷卻模型，見圖1（b）。進(jìn)出口尺寸為68 mm×22 mm。本文選用的電池尺寸為60 mm×15 mm×15 mm，額定電壓為3.60 V，額定容量為3 200 mAh，其余主要電池參數(shù)如表1所示[9]。

表1 電池參數(shù)

1.2 控制方程

本文采用k-ε湍流模型對控制方程組進(jìn)行求解，為簡化模型，做出以下假設(shè)：（1）鋰離子電池的熱物性參數(shù)為常數(shù)；（2）空氣與電池表面的邊界無滑移；（3）對于空氣區(qū)域，除了擴(kuò)散項(xiàng)中密度值是溫度的函數(shù)外，其他控制方程各項(xiàng)中的密度為常數(shù)。因此，電池組件內(nèi)部空氣的無量綱連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程如下[1]：

此外，空氣導(dǎo)熱系數(shù)h、雷諾數(shù)Re、努塞爾數(shù)Nu及阻力系數(shù)f的關(guān)系式分別為：

式中，ΔH為電池組內(nèi)的焓值變化；qm為質(zhì)量流量，Tb為電池平均溫度；Ta為空氣平均溫度；Ab為電池表面積；ρa(bǔ)為空氣密度；uin為進(jìn)口風(fēng)速；d為進(jìn)出口當(dāng)量直徑；μ為空氣動力粘度；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；pout為出口空氣壓力；pin為進(jìn)口空氣壓力。

1.3 模擬設(shè)置

電池間距為2 mm的模型網(wǎng)格數(shù)目為1 309 277，間距為5 mm的模型網(wǎng)格數(shù)為815 973。數(shù)值仿真設(shè)定在穩(wěn)定傳熱條件下以2 C的電流放電，電池生熱率為23 000 W/m3。電池模組風(fēng)冷數(shù)值模擬設(shè)置進(jìn)口風(fēng)速區(qū)間為0.5～5.0 m/s，進(jìn)口空氣溫度為293.15 K。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳熱效率

圖2為風(fēng)冷電池組件的Nu值隨進(jìn)口風(fēng)速和電池間距的變化。由圖2可知，Nu值隨著進(jìn)口風(fēng)速單調(diào)增大，進(jìn)口風(fēng)速為5 m/s時，電池間距為2 mm的同側(cè)風(fēng)冷模型Nu值可達(dá)7.58。在所研究的進(jìn)口風(fēng)速條件下，電池間距為2 mm與5 mm時相比，模型的Nu值更大。對于同側(cè)模型，電池間距為2 mm時Nu值對速度的遞增斜率為1.38，間距為5 mm時的斜率為0.97。此外，與同側(cè)風(fēng)冷模型相比，異側(cè)風(fēng)冷模型的Nu值較小。上述分析可知，采用同側(cè)風(fēng)冷模型，并增加進(jìn)口風(fēng)速和減少電池間距，有利于增加風(fēng)冷電池模型的Nu值，從而增強(qiáng)空氣與電池組之間的換熱強(qiáng)度。圖3為電池最高溫度Tmax隨空氣速度的變化圖。與其他模型相比，電池間隔為5 mm的異側(cè)模型的電池表面溫度最高，同時此模型的Nu值最低。此外，電池表面的最高溫度Tmax隨空氣速度單調(diào)遞減，但Tmax遞減的速率逐漸減小，意味著繼續(xù)增大空氣速度不會持續(xù)降低Tmax。

圖2 同側(cè)和異側(cè)模型電池的Nu值變化

圖3 同側(cè)與異側(cè)風(fēng)冷模型電池表面最高溫度隨空氣速度變化圖

圖4為進(jìn)口風(fēng)速2 m/s、進(jìn)口風(fēng)溫293.15 K條件下，風(fēng)冷電池模型截面x=30 mm處的溫度場分布。由圖4可以看出，電池組底部區(qū)域的溫度比上部區(qū)域低。同側(cè)風(fēng)冷模型的電池溫度比異側(cè)低，溫度分布更加均勻，并且異側(cè)模型中左上方電池區(qū)域的溫度較高，如圖4（c）和圖4（d）所示，說明同側(cè)風(fēng)冷電池模組的散熱效果更佳。此外，電池間距為2 mm的電池溫度低于間距為5 mm的電池溫度。對于電池間距為5 mm的異側(cè)風(fēng)冷模型，電池表面溫度超過45 ℃（318.15 K）的區(qū)域較多，不能滿足電池組的散熱要求。

圖4 進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時風(fēng)冷電池模型截面x=30 mm處溫度分布云圖

2.2 流動阻力分析

本文分析流體在流動中的損失與流動阻力的綜合情況時，采用阻力系數(shù)f與雷諾數(shù)Re的乘積fRe值來衡量，對于不同結(jié)構(gòu)類型的電池組具有普遍的參考意義。由圖5可知，fRe值隨著進(jìn)口風(fēng)速的增大近似呈線性增長。電池間距分別為2 mm、5 mm時，同側(cè)風(fēng)冷模型fRe值的斜率分別為13 458.62、5 827.54，異側(cè)風(fēng)冷模型fRe值的斜率分別為17 035.14、9 138.40。顯然，電池間距為2 mm時fRe值比5 mm時大，同側(cè)模型fRe值比異側(cè)的小。例如，在同側(cè)風(fēng)冷模型中，風(fēng)速為5 m/s，電池間距為5 mm的fRe值與2 mm時的差值為39 471；在異側(cè)風(fēng)冷模型中，此差值為41 504。

圖5 同側(cè)和異側(cè)模型fRe值與進(jìn)口風(fēng)速的關(guān)系

由圖6（a）可知，在同側(cè)風(fēng)冷模型中，截面右上方電池上方處存在一個漩渦，而在異側(cè)風(fēng)冷模型中則不存在漩渦。通過上文關(guān)于進(jìn)出口方向?qū)u值影響的分析可以得出，同側(cè)風(fēng)冷模型中存在的這一漩渦加強(qiáng)了電池與空氣的對流換熱。由圖6（b）可知，在異側(cè)風(fēng)冷模型中，異側(cè)模型截面的左上方流線較為稀疏，流動較弱，存在“死流區(qū)”[4]，使得空氣無法及時把熱量帶走，導(dǎo)致此處電池溫度過高，超過了電池散熱要求，如圖4（c）和圖4（d）所示。

圖6 進(jìn)口風(fēng)速為2 m/s時風(fēng)冷電池模型截面x=30 mm處流線分布圖

2.3 綜合分析

j因子和f阻力系數(shù)分別是表征傳熱系數(shù)和壓降的相關(guān)參數(shù)。一般熱傳遞量的增加會導(dǎo)致壓降隨之增加，因此引入JF因子，該參數(shù)可以同時考慮j因子和f因子，可以有效評估不同條件下電池組散熱的綜合性能[10]。JF因子及j因子的表達(dá)式分別為：

式中，Pr為普朗特數(shù)；cp為空氣定壓比熱；下標(biāo)“R”表示參考工況，本文中參考工況為進(jìn)口風(fēng)溫293.15 K、電池間距5 mm、同側(cè)風(fēng)冷電池模型。

圖7為JF值隨進(jìn)口風(fēng)速的變化情況。對于參考工況，在所研究的速度范圍內(nèi)，JF值恒定為1。由圖7可知，同側(cè)風(fēng)冷模型的JF值比異側(cè)模型的大，電池間距為2 mm、風(fēng)速大于2 m/s時JF值都大于1，與參考工況相比其綜合性能更優(yōu)。JF值最大時的工況為速度5 m/s、電池間距2 mm。對于異側(cè)模型，電池間距為5 mm或2 mm，其JF值都低于參考值。因此，對于空氣速度低于2 m/s的工況，推薦選擇電池間距5 mm的同側(cè)電池風(fēng)冷模型；當(dāng)空氣速度大于2 m/s時，則推薦選擇電池間距2 mm的同側(cè)電池風(fēng)冷模型。

圖7 風(fēng)冷電池組模型中JF因子與進(jìn)口風(fēng)速uin的關(guān)系

3 結(jié) 論

采用CFD軟件仿真模擬的方法，對鋰離子電池組的風(fēng)冷散熱性能進(jìn)行分析，分析了進(jìn)口風(fēng)速、電池間距和組件出風(fēng)口位置3種因素的影響，得出如下結(jié)論：采用同側(cè)風(fēng)冷模型，并增加進(jìn)口風(fēng)速和減少電池間距，可利于增加風(fēng)冷電池模型的Nu值；同側(cè)風(fēng)冷模型的流動阻力比異側(cè)的小，而且進(jìn)口風(fēng)速的增大與電池間隔的減小都會導(dǎo)致流動阻力增大；進(jìn)口風(fēng)速大于2 m/s時，推薦選擇電池間距為2 mm的同側(cè)電池風(fēng)冷模型。