空冷锂离子电池包散热特性的数值模拟研究

王红民 周南昕 上官文斌

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广州 510640）

锂离子电池具有比功率高、充电时间短、记忆效应不明显等优点，近年来被广泛用于电动汽车和能量储存系统中。锂电池充放电的过程中产生的热量，如果不及时排出，就会导致电池温度升高，从而影响电池的使用性能和寿命，甚至会导致电池爆炸，所以对电池进行热管理，使其工作在最佳温度范围内，且保证电池包内每个电池单体的温度偏差在允许范围内是非常必要的。近年来，电池热管理已成为电动汽车领域的研究热点之一。电池散热系统主要分为风冷、液体冷却和相变材料冷却三种类型，其中风冷系统结构简单、成本低廉，且安全可靠性好，得到了广泛应用。本文以36节26650型磷酸铁锂电池组成的电池包为研究对象，利用FLUENT软件分析电池包环境温度、放电倍率和空气流速对电池包平均温度影响情况，并对电池包内各单体电池温度偏差进行模拟，旨在对冷风散热系统进行优化与推广[1]。

1 电池生热、物理参数的确定、建模及网格划分

本文研究的电池包由36个单体电池组成，排列成4行，每行9个，顺列布置，并对其进行编号，如图1所示。冷却空气从左侧进风口进入电池包，对电池进行冷却后，从右侧出风口流出。用ICEM软件进行网格划分，采用非结构化网格。对网格进行独立性验证后，选取网格总数为156万左右，平均质量为0.79，并在电池表面加载边界层。在FLUENT软件中，设定材料参数，边界条件和内热源，松弛因子设定为默认值，求解算法使用simple离散算法[2]。在Spatial Discretization（空间离散化）中，压力项选择二阶，动量和能量项选择二阶迎风离散格式，湍流模型则选用k-omega模型。对空冷电池包进行了二维数值模拟，数值模拟结果中，取各单体电池表面上的最高温度，作为单体电池的温度。

图1 电池箱结构

2 结果及分析

2.1 放电倍率对电池包内温度影响

设定环境温度为25℃，进口风速为5m/s，电池包分别以5C、10C和15C的放电倍率恒流放电，放电倍率对电池包内温度场的影响，如图2所示。

图2 不同放电倍率对电池包温度的影响

可以看出，环境温度和风速一定的情况下，随着放电倍率的增大，电池包平均温度升高，这是因为放电倍率增大时，电池包内每个单体电池的放电电流都增大，放出的热量增多。放电倍率由5C增大到10C时，电池包平均温度由27.39℃升高到了35.46℃，温度提升了8.07℃；放电倍率由10C再进一步升高到15C时，电池包平均温度由35.46℃升高到了49.15℃，温度提升了13.69℃。可见，随着放电倍率的增大，电池包平均温度增速更快，由电池的生热方程可得出，焦耳热与电流的平方成正比，而可逆反应热与电流成正比，所以放电倍率增大时，焦耳热会快速增大。

在外部环境温度为25℃，进风口风速为5m/s的情况下，不同放电倍率情况下的电池温度分布情况如图3～图5所示。通过对比可见，三种情况下温度分布几乎完全相同，即编号为18、19、22、23、26、27、30和31的单体电池温度最高，其原因为这些单体电池都处于电池箱的后部中心位置，散热条件较差。

2.2 环境温度变化对电池包内温度分布影响

在放电倍率和冷却空气风速一定的条件下，当环境温度升高，即冷却空气温度升高时，电池与空气间的传热温差减小，冷却空气带走的热量减小，从而导致电池温度升高，具体实验数据如图6所示。

此时放电倍率为10C，进口风速为5m/s，当环境温度从25℃升高到30℃、35℃时，电池包的平均温度分别从35.46℃升高到了40.45℃、45.41℃。通过实验图可以发现，当其他条件相同时，环境温度升高的度数和电池包平均温度升高的度数几乎相同，这是因为电池放电时生成的热量一部分被冷却空气通过对流传热的方式带走，另一部分则导致电池本身的温度升高，而这两部分的温差相同。

图3 5C放电倍率电池温度分布云图

图4 10C放电倍率电池温度分布云图

图6 外部环境温度对电池包温度的影响

在放电倍率为10C，进口风速为5m/s的情况下，不同温度环境下的电池包内部温度变化云图如图7～图9所示。可以看出，环境温度变化时，电池包内温度最高点和最低点的温度都处于同一位置，即环境温度变化时，电池包内各单体电池的温度场基本一致。这说明电池包内，冷却空气的流场和温度场变化不大。

图7 25℃环境温度下电池包内温度分布云图

图8 30℃环境温度下电池包内温度分布云图

图9 35℃环境温度下电池包内温度分布云图

2.3 冷却空气流速变化对电池包内温度分布影响

当电池放电倍率为10C，环境温度保持在25℃时，分析冷却空气流速对电池包内平均温度影响。经实验分析可得，随着风速增大，电池包的平均温度会降低，这主要是对流换热系数增大引起的。且随着风速的增大，平均温度下降幅度越来越小，具体情况如图10所示。

如图10所示，当平均风速由1m/s升高到3m/s时，电池包平均温度由49.38℃降到了38.53℃，温度下降了10.85℃；当风速由7m/s增加到9m/s时，平均温度由33.85℃降到了32.91℃，温度仅下降了0.94℃。所以选择最佳风速时，不但要考虑风速增加对电池的冷却效果，而且也应考虑风速增大时风机消耗电能的增加。

图10 不同风速对电池包温度的影响

同上述实验类似，在保持放电倍率与外部温度不变的情况下，对不同冷却风速下的电池包温度分布情况进行分析，如图11～图12所示。风速为1m/s时，电池包内温度最高的区域位于电池包出风口处的中间位置，电池编号为30、35。随着风速的增大，最高温度的位置逐渐向进风口的方向移动。当风速为9m/s时，温度最高的单体电池编号为18、22，这是由于风速增加时，电池箱的出风口处流通截面积减小，最后一排电池附近产生的回流不明显，使得冷却空气流速向入口处移动，导致温度最高的单体电池位置也向入口的方向移动。

图11 风速1m/s时电池包内温度分布云图

图12 风速5m/s时电池包内温度分布云图

图13 风速9m/s时电池包内温度分布云图

3 结论

本文以36节26650型磷酸铁锂电池组成的电池包为对象，研究了不同放电倍率、环境温度和空气流速对电池包平均温度的影响，具体结论如下：

（1）当环境温度和冷却空气流速一定时，随着放电倍率的增大，电池包内单体电池的平均温度升高，温度最高的单体电池的位置维持不变。

（2）当放电倍率和冷却空气流速一定时，随着环境温度的升高，每个单体电池温度也升高，且升高值和环境温度升高值相当，温度最高的单体电池的位置维持不变。

（3）当环境温度和放电倍率一定时，随着冷却空气流速的增大，电池包内平均温度降低，但是电池包内温度最高的电池单体的位置向冷却空气入口的方向移动。