电池组风冷系统结构设计与仿真优化研究*

方 凯，徐 屾，汤玉婷

(上海工程技术大学 汽车工程学院,上海 201620)

0 引 言

随着石油资源的枯竭和排放法规的日趋严格，新能源车已经成为了不可阻挡的趋势。锂电池，因其自身具有能量密度高、使用寿命长、自放电率低等一系列优点，成为目前新能源车动力电池的首选。一般认为，锂电池的高效工作温度区间为0 ℃～40 ℃，电池组之间的温差最好控制在5 ℃以内[1-2]。锂电池长时间在高温环境下工作，容量和使用寿命均会大大缩减。若电池组未采取合适的热管理措施，在某些极端情况下，甚至会引起热失控，引发危险事故[3-4]。所以，针对动力电池组而言，引入合适的热管理方法是很必要的。

电池组冷却可大致分为水冷、风冷和相变材料冷却，本文采取的冷却措施为风冷。众多学者对风冷结构做了大量的研究。陈磊涛等[5]对电池箱体的设计提出了两种局部结构变动途径：一种是改变通道的宽度，另一种是改变空气进出口处集流板的倾斜角度。两种方法分别对应调节的是速度和压力。在对不同流道宽度和集流板倾斜角度联合模拟后，得出流道宽度递减值为1.5 mm、集流板倾斜角度为4°时电池组流道的流速分布最为均匀。梁金华[6]通过在不同通道加装楔形装置以改变不同流道的风速。Rajib Mahamud等[7]设计了一种新型的风冷装置，该装置可周期性地变换进风口和出风口，当以120 s为变换周期时，电池组最高温度相比没有变换进出口时降低了1.5 ℃，电池组温差降低了72%。

为改善电池组温度均匀性，本文设计一种单进四出的箱体结构，在4个出风口按照一定规律开闭时，可以主动引导冷却介质通过设定的流道，从而可以对电池组中温度较高的电池采取主动控制。

1 相关模型

1.1 电池生热公式

在实验计算上较常应用的公式为Noboru Sata[8]生热速率公式：

Q=Qr+Qs+Qp+Qj

(1)

式中：Qr—化学反应热；Qp—极化反应热；Qj—欧姆热；Qs—副反应热。

在一般研究中，只考虑因极化内阻和欧姆内阻产生的热量，有：

Qp=I2Rp

(2)

Qj=I2Rj

(3)

式中:I—电池充放电电流，A；RP，Rj—极化内阻和欧姆内阻，Ω。

本文研究的电池参数如表1所示。

表1 电池相关参数

1.2 电池传热控制方程

在流动与传热问题求解中所需求解的主要变量(速度及温度等)的控制方程的通用形式[9]为：

(4)

式中：φ—通用变量，可代表u,v,w,T等求解变量；Γφ—广义扩散系数；Sφ—广义源项。

1.3 均匀送风原理

对于风冷电池组，在忽略电池组与外界空气和电池组之间通过热传导传递的热量时，要实现电池组温度一致性良好的目标，各个流道的流速要尽可能地均匀。根据流体力学原理，要保证每个等截面出风口的出风速度相等，基本条件是各侧孔的静压相等，即主管全长上的静压保持不变[10]。根据伯努利方程，对于流道内的两个相邻截面有：

(5)

当Pi=Pi+1时，则：

(6)

式中:Pi—第i或i+1截面的静压，Pa；vi—第i或i+1截面的流速，m/s；ΔPq—两截面之间的全压损失，Pa；ρ—空气密度。

由式(5)可见，任意两截面之间保持静压相等的条件是两截面之间的动压降等于两截面之间的阻力损失。通常情况下，式(5)的右端大于左端，若要满足两端相等，其截面积沿流动方向应逐步减小。风口垂直于风管壁面方向的静压速度(单位：m/s)为：

(7)

通过侧孔的风量(单位：m3/s)：

L0=μf0vj

(8)

空气通过侧孔的平均速度(单位：m/s)：

(9)

式中：μ—侧孔的流量系数；f0—侧孔的面积。

2 风冷流道系统设计

本文设计了包含1个进风口和4个出风口的电池组箱体结构。4个出风口可按照一定规律打开、关闭。本文将着重考察4个出口不同开闭状态时，电池组的温度分布情况。箱体结构的4个出风口从上至下依次为1、2、3、4。电池从上至下依次编号为1～10。流道从上至下依次编号为1～11。

2.1 相关边界条件

由于亚克力板(PMMA)具有较好的透光性和较低的导热系数(0.18 W/m·K)，本研究选用亚克力板作为箱体的结构材料。入口温度为20 ℃，风速为5 m/s,环境温度为35 ℃，外界气压为标准大气压。在电池组与外界的温差较低和PMMA导热系数较小的前提下，通过箱体热传导传递的热量可以忽略，即只考虑流道内空气与电池间强制对流冷却部分的热量。

2.2 流道尺寸的确定

针对该模型，本研究对3 mm、5 mm、7 mm的流道做了3组模拟，3 mm流道的速度场如图1所示。

图1 3 mm流道的速度场

根据模拟结果得出：该箱体结构在流道尺寸为3 mm时，各个流道的流速最为均匀。对于3 mm的箱体模型，其4号、8号两条低速流道是两块最高温度的电池所在位置。为了提高两条低速流道的速度，笔者采取增大其尺寸的方法，即降压增速的方法。将该两条流道尺寸增加到5 mm，其余流道尺寸依然为3 mm，此时电池组温度场如图2所示。

图2 3 mm与5 mm混合流道尺寸下的温度场

在该尺寸下，各个流道的速度均匀性进一步提升。除去被进风口直吹的2块电池，其余8块电池的最高温度趋于一致，且最高温度相较于3 mm间距模型进一步下降0.7 ℃。综上，将箱体流道尺寸定为3 mm，其中4号、8号两条流道的寸定为5 mm。下文中只把温度场作为研究目标。

2.3 三维模型

为验证二维模拟结果，笔者对5 mm流道的模型作了三维模拟，模拟结果如图3所示。

图3 5 mm流道时三维模拟与二维模拟对比图

对比图3(b)可以看出：最高温度误差为0.36 ℃。对比两图的温度分布，二维模拟可以较好地展示三维模拟的结果。为减少模拟时间，以下模拟均采用二维模拟。

2.4 出风口长度对温度场分布的影响

在确定流道宽度时，出风口的长度被设定为20 mm。为验证出风口的长度对电池组温度场的影响，笔者对10 mm和30 mm的出风口分别做了两组模拟，对应的模拟结果如图4所示。

图4 不同长度的出风口对应的温度场

对比图4(a)、4(b)，可以得出，出风口的尺寸对电池组的温度场影响较小。

3 电池箱出风口开闭策略研究

3.1 一个出风口打开时的模拟结果

箱体结构为对称结构，故本研究仅针对1、2出口单开做了相应模拟。电池组的温度场图如图5所示。

图5 1、2出风口单开时的温度场

由温度场图可以看出：8、9、10这3块电池存在过热的现象。1出口打开，1、2、3电池可以得到强化散热；2出口打开时，4、5电池可以得到强化散热。由模拟结果可知，在电池箱体内，由于风速不均匀导致的压差在很小的范围内，后文仅对温度进行说明，不再对压力作进一步研究。

3.2 4个出风口对称开闭时的讨论

两个出风口打开时的温度场如图6所示。

图6从上至下依次为1、2出口打开，2、3出口打开，3、4出口打开的温度场图。在2、3出口打开时，4、5、6、7电池可以得到强化散热。从温度分布云图可以看出，在1、2出口打开时，1、2、3、4电池可以得到强化散热。3、4出口打开时，7、8、9、10电池可以得到强化散热。但2、3出口打开时，会造成多块电池温度较高。

1、2出口打开时的速度云图、温度云图和3、4出口打开时对应的分布图参数接近，这也验证了对于对称结构，可取一半作为研究对象。图6的温度场均是在模拟2 000 s以后达到稳态时的结果，由图6可以得出：在以一定周期规律性地开闭4个出口时(如1、2出口和3、4出口交替开闭)，可以有效地改善电池组的温度均匀性。

图6 两个出风口打开时的温度场

通过对模型的4个出口的不同开闭情况的模拟，得出了在不同开口情况下的速度、温度云图。由模拟结果可以得出：通过开闭不同的出口，可以达到改变箱体结构内速度场的目的，进而可以主动地调节电池组内的温度分布。

4 结束语

本文设计了一种带有一个进风口和4个出风口的风冷电池箱体结构；针对不同电池间距和出风口不同的开闭情况做了相应的模拟，得出了以下结论：

(1)在同样的入口条件下，流道尺寸为5 mm或更大时，会存在几条流道内速度过低的现象。流道尺寸为3 mm和5 mm混合时，整个电池组的温度均匀性最好；

(2)打开1个出风口，其他出风口关闭时，该结构可对打开的出风口临近的2～3个电池进行强化散热；

(3)出风口两开两闭的条件下，该结构可对4个电池进行强化散热。但打开2、3出口时，虽然可对4、5、6、7电池进行强化散热，也会致使1、2、9、10电池温度相应增加。

本文仅对该模型的流道尺寸和4个出风口的开闭策略作了简要分析，后期会制作实体模型，通过实验的方式来验证该模型的实际效果。