基于Fluent的并联式风冷电池系统的仿真及优化

马金铭，高晓梅，李倩文



基于Fluent的并联式风冷电池系统的仿真及优化

马金铭，高晓梅，李倩文

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

文章利用计算流体力学软件Fluent对并联式风冷电池系统的温度场进行计算，然后通过在与冷却通道相对的会聚静压室壁上增设二次排气口对冷却系统进行优化，从而提高冷却系统的冷却性能。结果表明，在恒产热率的情况下，二次排气口的位置对冷却系统的冷却性能有很大的影响，二次排气口设置在靠近入口的冷却通道上有效提高了冷却系统的冷却性能，电池组的最高温度和最大温差均降低了2k以上。

Fluent；并联式风冷；二次排气口；温度场分布

前言

当今世界面临严峻的能源短缺与环境污染问题，发展电动汽车是大势所趋。电池组作为电动汽车的动力组成，其在工作时发生化学反应产生热量，若不能将这部分热量及时排出，将出现电池温度过高和温度分布不均匀，最终可能导致电池失效甚至爆炸，影响电动汽车的寿命和安全性。

目前应用较为广泛的冷却方式包括空气冷却、液体冷却、相变材料（PCM）冷却、冷却板冷却[1]。空气冷却由于成本低、结构简单成为最常用的方法之一。Pesaran[2]对串联式风冷和并联式风冷电池系统的冷却性能进行了研究。结果表明，并联式风冷有更好的冷却效果。因此，本文针对并联式风冷电池系统进行研究和优化。

1 仿真计算模型的建立

1.1 建立三维模型

设置系统的入口和出口宽度均为20mm，入口和出口的长度均为100mm。该电池由9个电池组成，电池尺寸为17mm×120mm×44mm，电池间隙为3mm。其三维模型如图1所示。

图1 并联式风冷三维模型

1.2 网格划与边界条件的设置

1.2.1网格划分

在Gambit中对模型进行网格划分，网格数约为9万个。如图2所示。

图2 网格模型

1.2.2设置边界条件

（1）入口，设置为velocity-inlet（速度入口）；

（2）出口，设置为pressure-outlet（压力出口）；

（3）二次通风口，设置为outlet-vent（排气通风口）；

（4）壁面，默认为wall。

2 Fluent计算及结果分析

2.1 Fluent模型设置

气流速度远小于声速，空气视为不可压缩流体。由于雷诺数大于104，气流状态为湍流，故采用带k-ε湍流模型的N-S方程[3]。控制方程如下：

式中：ρ为空气密度；ui、uj为不同方向的速度分量；p表示压力；cp为空气的比热容；T是温度；λ为流体传热系数；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率；η为分子动力粘度系数；ηt为湍流粘度系数；C1、C2、σk、σε、σT为k-ε湍流模型的参数。

式中：Cu是k-ε湍流模型的参数。

从最近几年的文献[4-6]中发现σk、σε、σT、C1、C2、Cu经验常数取值基本一致。

2.2 热物性参数设置

表1、表2分别给出了空气和电池的热物性参数。

表1 空气热物性参数

表2 电池热物性参数

2.3 计算结果

设置环境温度300K，入口风速为 5m/s，壁面无滑移，对流换热系数取 10W/(m2•K）。

图3 温度图

由图3可知，电池组的最高温度为314.5K，最低温度为306.5K，离进气道越近电池温度越高。最大温差达8.0K。

3 散热结构优化

3.1 优化方案

图4 二次排气口位置示意图

在与冷却通道相对的会聚静压室壁上增设二次排气口，排气口宽10mm。二次排气口位置如图4。

3.2 优化后仿真结果

表3给出了不同位置的二次排气口的仿真结果。“0”表示没有二次排气口的原始系统。“n”(n=1,2,3,……,10)表示二次排气口位于第n个冷却通道的冷却系统。

表3 有、无二次排气口的仿真结果

结果表明，与原来的系统中，二次排气口1对于改善冷却系统的性能最有效，最高温度降低了2.0 K，最大温差减小2.4K，最大温差的改善率达到30%。而对于10号排风口，冷却系统的性能与原系统相比几乎没有改变。

4 结论

利用 Fluent 软件对并联式风冷电池系统进行数值模拟，通过对原系统和改进后系统进行对比分析得出：

（1）二次排气口的位置对冷却系统的冷却性能有很大的影响；

（2）在恒产热率的情况下，选择靠近入口的对着冷却通道的二次排气口有效提高了系统的冷却性能。

（3）对于最佳优化结果，电池组的最高温度和最大温差均降低了2k以上。

[1] 方雄灿.电动汽车锂离子电池组热特性分析及电池箱体散热结构优化[D].合肥:合肥工业大学,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,陆立明编.热分析应用基础[M].东华大学出版社, 2011.

[5] 傅德熏,马延文.计算流体力学[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

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马金铭，硕士，就读于长安大学，研究方向：低温与制冷。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.08.014