风冷翅片用于锂电池组散热性能的数值模拟研究

刘业凤，孙伟，荆岩岩

（1.200093上海市 上海理工大学 能源与动力工程学院;2.200093 上海市 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室）

0 引言

电动汽车的核心技术包括电机控制技术、能量管理技术、整车控制技术和电池管理技术[1]，其中电池热管理技术直接影响电动汽车的性能。锂电池由于具有电压和比能量高、循环性好、自放电小、无记忆效应、无污染的特点，在电动汽车中得到了广泛应用，是电动汽车的动力来源。电动汽车的行驶里程取决于电池的寿命。电动汽车电池模块的价格更是占整个电动汽车总价的33%，所以研究电动汽车电池模块的性能、减少电池模块的更换频率、提高电池模块的使用寿命能够有效降低电动汽车的价格，有利于推动电动汽车产业在城市的推广。

锂电池的特性的好坏主要取决于电池的温度特性[2]。电池模块的散热十分重要，电池温度过高或者过低，对电池都有很大的影响。高温对动力电池的影响是“双刃剑”，一方面，电池温度升高，电池的活性增强，离子扩散得更快，相应的电池内阻会减小，所以从这方面看，电池温度高能改善电池的性能；另一方面，电池温度高电解液会分解产生有害气体，对电池造成永久性损害，降低电池的使用寿命[3]。

研究表明，电池工作的环境温度越高，电池内部化学反应速率越快，温度每升高10 ℃，化学反应的速度增加1 倍；在高倍率下充电时，温度升高5 ℃，电池寿命减少一半。在45 ℃的环境温度下工作时，镍氢电池循环寿命次数大约减小60%[4-5]。不同种类的电池的最佳工作温度范围不同，目前关于新能源汽车电池的最佳工作范围并没有明确的标准。文献[6-12]的研究总结出：镍氢电池的最佳工作温度范围是20～40 ℃，铅酸电池的最佳工作温度范围是25～45 ℃，锂电池普遍认为的最佳工作温度范围是18～45 ℃。对于温度控制要求较高的电池模块的散热系统来说，最好将其温度控制在25～45 ℃[9]。

本文三元锂电池21700 的散热目标：温度范围25～45 ℃，电池模块的温差控制在5 ℃以下。

1 单体锂电池热特性模型的正确性验证

本文的实验对象是三元锂电池21700，它相对于其他锂电池具有电池能量密度更大、低温放电性能更好、充电效率更高等优点。正是由于三元锂电池有这么多的优点，它在电动汽车领域得到了越来越多的应用，比如特斯拉应用的就是三元锂电池。本文研究的三元锂电池21700 单体电池的基本参数见表1。

表1 三元锂电池规格表Tab.1 Specification of ternary lithium battery

1.1 单体锂电池温升实验

本次实验选择了学校的冰箱性能实验室作为高低温环境室。该实验室可以提供的环境温度的范围是-20～70 ℃，温度波动范围不超过 ±0.5 ℃。实验所用的放电仪器是广勤KL5102 电子负载仪，它可以完成常规的电池测试。数据采集采用的是K 型热电偶，其控制精度为±0.4%，在电池正极，负极和中间各布置一个热电偶，并以其平均温度作为电池表面温度，使用安捷伦采集实验数据。控制参数如表2 所示。电池在自然对流条件下进行放电，测得上中下3 个测点的温度，并对数据进行处理分析。

表2 温升实验基本实验参数Tab.2 Basic experimental parameters of temperature rise experiment

1.2 单体锂电池仿真模型

由于锂电池的热特性非常复杂，需要对电池的发热模型进行简化[13]。Chen[14]等人对电池分层模型和不分层模型进行了研究，结果证明电池热仿真时无论采用分层模型还是不分层模型对于电池温度场影响不大，因此本文选择电池内部不分层模型。为提高模型准确性和精度，还提出了一些假设：（1）电池内部材料均匀，电池密度、比热容不随温度、放电倍率和SOC 变化；（2）电池内部电解液流动很小，电池内部不存在对流换热；（3）电池是透明的固体材料，电池内部不存在辐射换热；（4）电池在同一方向上热导率相同，且电池各个方向的热导率不随电池温度和SOC 的变化而变化；（5）电池在恒流放电时各个部分生热速率相同，认为电池是一个恒热源。

基于以上假设，再结合前面的分析以及传热学基本原理，可以建立圆柱形锂离子电池在圆柱坐标系下的导热微分方程，圆柱型锂离子电池在圆柱坐标系下非稳态传热的数学模型如下：

式中：ρ——流体密度，kg/m3；Cp——电池的比热容，J/(kg·K)；T——温度，K；t——温度，℃；q——电池产热速率，W/m3；λ——各个方向上的导热率，W/(m2·K)。

电池相关的全部的热物性参数如表3 所示，由此获得电池温度的解。

表3 温升实验基本实验参数Tab.3 Basic experimental parameters of temperature rise experiment

1.2.1 单体锂电池网格划分

单体锂电池的三维模型及网格划分如图1 所示。基于单体电池结构规则，为提高计算精度、减少计算时间，采用结构化网格。建立block 区域模块，并将模型中的点、线、面进行关联，其中上下底面采用O 型网格。

图1 单体锂电池三维模型及网格划分Fig.1 Three-dimensional model and grid generation of single lithium battery

单体电池网格的尺寸大小设置为1，最终得到的网格数量是50 184，节点数是47 144。将ICEM 中划分的网格导入到Fluent 中仍需要进行网格质量检查，本文的检查结果是最小面网格是2.346 13×10-7，最小体网格是2.346 126×10-10，没有出现负值，因此不需要重新划分网格。

1.2.2 仿真模型的设定

模型主要研究的是电池温度随时间的变化以及随着生热速率的变化电池温度场的分布，因此在物理模型中要开启能量方程，勾选Energy-On。另外，在进行单体电池的模拟时，选择基于压力的瞬态计算3D 隐式算法。电池的热物性参数需要根据表3 参数在Materimals 中定义，包括密度、比热容和导热系数等，方法是Materimals-Solid-Create/Edit Materimals，导热系数选择Cylinderical Orthotropic Conductivity。在Boundary Conductions 中将电池表面选择为自然对流，对流换热系数h 一般为h=3～10 W/m2·K，本文选择h=5 W/m2·K。设置初始电池表面温度为15 ℃，对整个流场（All Zone）进行初始化。再对计算的时间步长和迭代次数等进行设置：1C 放电倍率下时间步长为3 600 s，1.5C 为2 400 s，2C 为1 800 s，步长设置为1，最大迭代次数为20 步。

藏族前半段舞段充满着仪式感，开场展现的是一位老者给一头耗牛的牛角上系红绳，在此处并没有用很实的光斑给老者做定点，而且采用了电脑染色灯给老者抹出了一块橙红色的区域，加上对亮度的控制，让观众既能看见老者与耗牛的表演，又能不破坏仪式中的神秘感。之后的一段耗牛群舞，首先是一位演员的前区舞段，演员手中拿着一对牛角，此时也没有按部就班地上一个传统的光圈定点，而是利用电脑切割灯，雕刻出一个半月牙形状的区域来模拟牛角，演员在这个牛角里完成独舞舞段，这样不仅没有破坏舞台灯光本应有的强调区域和演员的作用，更是在形态上与整个舞段相呼应。

1.3 单体锂电池仿真与实验对比

为了确定热模型的准确性，将环境温度为15 ℃下单体电池表面中心位置测点的温度导入到CFD-Post 中拟合出温度曲线，并与单体电池温升实验的结果对比，仿真和实验提取数据的时间间隔都是120 s，对比的结果如图2 所示。

图2 15℃模拟与实验数据对比Fig.2 Comparison of simulated and experimental data at 15 ℃

由图2 可见，环境温度为15 ℃时，仿真结果与实验结果都比较接近，因此建立的锂电池热特性模型是正确的。在同一环境温度下，放电倍率越低，实验结果与仿真结果越接近。误差最大的时间是放电后期，放电完成后仿真温度都大于实验温度。原因可能是电池在实验过程中自然对流的换热系数并不是定值，而仿真时电池的换热系数为定值；电池实际放电过程中生热速率并不是定值，仿真是按电池内热源为定值进行的；实际实验过程中电池的比热容也不是完全不变的，比热容也会随温度发生微小的变化，模拟过程中比热容为定值；电池在实际放电过程中会与外界之间辐射换热，仿真没有考虑辐射换热的影响。

2 锂电池模块的模型建立

考虑到实际应用以及电脑配置，本文选用4×3 的电池模块，电池模块之间以四串三并的方式连接，建立强制风冷散热模型以及风冷铝翅片强化散热模型，由于风冷铝翅片散热模型较强制风冷散热模型多了翅片设定，因此本节列举风冷铝翅片散热模型。

2.1 几何建模及网格划分

如图3 所示，将12 节电池和3 片翅片组合在一起，形成风冷翅片电池模块。张宁[15]等研究发现，翅片厚度为0.5 mm 时，电池模块的最大温度和温差明显高于其他情况，但翅片厚度在1、2、3 mm 之间变化时，电池模块的温度相差不大，因此本文选取的铝翅片厚度为2 mm。其中，电池箱体PVC 尺寸为113 mm×89 mm×72 mm，翅片侧面与电池箱体PVC 容器的距离是5 mm，电池长70.9±0.2 mm，翅片等间距布置。

图3 锂电池模块风冷翅片强化散热三维几何模型图Fig.3 3D geometric model of air cooled fin for lithium ion battery module

在SolidWorks 画出三维模型，保存成x.t 格式并导入到ICEM 进行网格划分。在ICEM 中设置电池模块模型的边界与计算域，包括进风口、出风口、电池壁面、流体域、固体域、耦合面、电池箱体壁面，由于风冷铝翅片强化散热模型的网格比较复杂，因此在这里采用的是非结构化网格，为了降低网格的数量，采用网格组装的方法划分网格。分别画出风冷铝翅片电池模块和风冷流场的网格。风冷铝翅片电池模块的网格如图4左侧所示，组装好的网格如图4 右侧所示。网格数量为1 907 305 个，经检查电池模块的网格质量满足CFD 仿真网格质量的要求，然后将网格导入到Fluent 中进行温度场的仿真。

图4 风冷翅片电池模块网格示意图Fig.4 Grid diagram of air cooled fin battery module

2.2 模型求解参数的选择与边界条件的设定

本文采用冷风散热，空气参数直接采用Fluent 材料数据库中默认的air。电池模块产热速率和其它参数和单体锂电池相同，由于电池箱体与外界空气的散热是自然对流散热，其散热量很小，可忽略，因此电池箱体设置为绝热。选取的放电倍率分别是1.0C、1.5C、2.0C，风速选择3～5 m/s，环境温度分别是15，25，35 ℃。电池箱的进口边界条件为Velocity inlet，出口为Outlet-vent，并设置回流温度为25 ℃，表压为0，损失系数为1。由于锂电池模块和冷却空气之间的换热是流固耦合换热，接触面设置为Coupled。选择标准模型湍流模型，仍然选择瞬态仿真，其他的设置和单体锂电池相同。

3 仿真结果及分析

3.1 放电倍率对风冷散热的影响

控制环境温度为25 ℃，风速为3 m/s，翅片数为3 片，改变放电倍率1C、1.5C、2C，得到的模拟数据如表4 所示。

表4 25 ℃，3 m/s 不同放电倍率下强制风冷与翅片风冷最高温度/最大温差对比Tab.4 Comparison of maximum temperature/maximum temperature difference between forced air cooling and fin air cooling at 25 ℃,3 m/ s and different discharge rates

由表4 可知，相比于强制风冷散热，翅片风冷的最高温度分别降低了1.31、2.65、4.09℃，温差分别降低了3.24、6.79、10.75℃。由此可见，将铝翅片应用于锂离子电池模块能有效降低电池模块的最高温度与最大温差。当环境温度相同时，放电倍率越高，对锂离子电池模块最高温度和最大温差的改善越明显。

3.2 环境温度对风冷散热的影响

表5 2C，3 m/s 不同环境温度下强制风冷与翅片风冷最高温度/最大温差对比Tab.5 Comparison of maximum temperature/maximum temperature difference between forced air cooling and fin air cooling at 2C and 3 m/s

由表5 可知，相比于强制风冷散热，翅片风冷的最高温度分别降低了4.95，4.09，3.72℃，最大温差分别降低了13.05，10.79，9.81 ℃。放电倍率相同时，环境温度越高，最高温度和最大温差的改善越不明显。这是因为环境温度越高，电池内阻越小，电池产热越慢，因此翅片从电池模块导出的热量越少，电池模块最高温度和最大温差的改善越不明显。

3.3 风速对风冷散热的影响

结合3.1，3.2 得出的结果，控制放电倍率为2C，环境温度为35 ℃，翅片数为3片，改变风速3、4、5 m/s，得到的模拟数据如表6 所示。

表6 2C，35℃不同风速下强制风冷和翅片风冷最高温度/最大温差对比Tab.6 Comparison of maximum temperature/maximum temperature difference between forced air cooling and fin air cooling at 2C and 35 ℃ with different wind speeds

由表6 可知，相比于强制风冷散热，翅片风冷的最高温度分别降低了3.72，5.70，5.21 ℃，最大温差分别降低了9.81，8.39，6.67 ℃。翅片风冷的最高温度和最大温差都低于强制风冷散热的电池散热系统，且随着风速的增加电池模块的最高温度和最大温差会进一步降低，但是降低的速率变慢。这是因为，增加风速，电池箱体中空气的雷诺数增加，湍流程度增大，电池模块与冷空气换热更充分，因此电池模块最高温度和最大温差降低；电池箱内空气的湍流程度达到一定程度后，再增加风速，对电池模块和冷空气的换热影响不大，还会使流场中的流动阻力增大，对散热不利。因此本文模拟的最大进口风速为5 m/s。

3.4 翅片数对风冷散热的影响

结合上述结论，控制放电倍率为2C，环境温度为35 ℃，风速为4 m/s,改变翅片数3、5、7，得到的模拟数据如表7 所示。

表7 不同翅片数下强制风冷和翅片风冷最高温度/最大温差对比Tab.7 Comparison of maximum temperature/maximum temperature difference between forced air cooling and fin air cooling under different fin numbers

从表7 可知，相比于强制风冷散热，翅片风冷的最高温度分别降低了5.7，6.37，7.16 ℃，最大温差分别降低了8.34，8.61，9.23 ℃，随着翅片数增加，换热效果有所提升。虽然没有继续增加翅片的个数进行研究，但从传热学的知识可以知道，翅片个数不能无限增加，因为电池模块本身就重量很大。随着翅片个数的增加，翅片和电池模块对流场的阻力增大，这对散热也是不利的。综上，风冷翅片在环境温度为35℃，放电倍率为2C 的恶劣工况下，通过调节风速和翅片数可以满足电池的散热需求

4 结论

本文先论证了锂电池热模型的准确性，然后以一个四串三并的电池模块为研究对象，对锂电池模块的散热性能进行了仿真，对比分析了强制风冷散热模型和风冷铝翅片强化散热模型的散热性能，研究的环境温度为15，25，35 ℃，进口风速为3～5 m/s，翅片个数为3、5、7 片，放电倍率为1C、1.5C、2C。

研究表明，翅片应用于锂离子电池模块散热能够降低电池模块的最高温度与最大温差。具体如下：（1）环境温度和进口风速相同时，放电倍率越高，相对于强制风冷散热，最高温度和最大温差的降低越明显。（2）放电倍率和进口风速相同时，环境温度越高，相对于强制风冷散热，最高温度和温差的降低越不明显。（3）随着风速的增加，翅片散热的电池散热系统的最高温度和温差会进一步降低。（4）在研究的翅片个数的范围内，增加翅片的个数也能够使翅片散热的电池模块热管理系统的最高温度和温差进一步降低。（5）风冷翅片在环境温度为35 ℃，放电倍率为2C 的恶劣工况下，通过调节风速和翅片数可以满足电池散热目标：温度范围是25～45 ℃，温差在5 ℃以下。