扰流板对电池热管理系统冷却性能的影响研究

王 雨，唐 豪，龚 振

(南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室，江苏南京 210016)

锂离子电池由于具有高比容量、优异的循环寿命以及低自放电率等优点，已经成为目前电动汽车应用的主流。然而，锂离子电池对温度具有很高的敏感性，在日常使用中，电池组的温度会直接影响到电池系统的安全、性能和使用寿命。为了保证电动汽车整车的动力性能和热安全性能，应该尽量使电池组处于理想工作温度和温差范围内。

电池热管理系统按照冷却介质的不同可以分为风冷式、液冷式、相变材料冷却、热管冷却和混合冷却。其中风冷式由于结构简单、安全性高等优点，被广泛应用于锂离子电池组散热。Xie 等[1]针对风冷系统的进出气通道角度和电池间距进行了正交研究，结果表明在进出口角度均为2.5°且电池间气流通道均匀的情况下，电池组冷却性能最佳。Chen 等[2]提出了几种不同进出口布置的风冷系统并对其进行了研究，研究结果表明，空气出入口的位置对风冷式热管理系统有显著影响。Xu 等[3]研究了横向通风流道和纵向通风流道对电池箱温度的影响特性，结果表明，与纵向通风流道相比，横向通风更能提高散热性能。Hong 等[4]在Z 型空冷系统的基础上增加了第二个出风口，其研究发现增加出风口可以改善散热系统的性能。

上述文献表明，目前对电池组空气冷却散热系统的优化主要是针对电池组进出口、电池排列方式等进行的，对于在电池组中添加扰流板来提高电池组冷却性能的研究还较为缺少。文献[5]通过增加垂直扰流板以提高冷却性能，但并未研究扰流板高度和角度的变化对冷却效果的影响。基于此，本文利用结构较为简单的空气冷却散热方式，以方型锂离子电池为研究对象，通过FLUENT 软件对不同扰流板数量、布置、高度、角度和长度下空气冷却电池组的散热特性进行了研究，旨在为空气冷却系统的设计提供一定指导作用。

1 模拟方法与模型验证

1.1 模型描述

1.1.1 锂离子电池组散热几何模型

本文对方型磷酸铁锂电池进行研究，其电压为3.2 V，容量为10 Ah。为了研究扰流板对冷却空气流道的影响，采用Z型电池散热系统，建立的电池箱模型布置见图1，电池箱的总尺寸为230 mm×73 mm×175 mm，其中电池尺寸为65 mm×16 mm×131 mm，电池箱外壳厚度为2 mm，电池间隔6 mm，进气和出气口高度均为20 mm。进气口设置在电池箱右侧底端，出风口位于左侧顶端，单体电池根据其到进风口距离的远近定义为电池1～10，空气流道则相应定义为流道1～11。

图1 电池箱布置和扰流板几何模型

1.1.2 扰流板模型

为进一步提升原始模型对电池组的散热性能，在电池正下方的空气流场中添加厚度为0.5 mm 的扰流板。扰流板与电池箱的底部接触，其底部边缘与电池的端边缘在同一垂直线上，如图1 中扰流板位置处于电池3 下。本文所设计的扰流板初始长度为65 mm，定义扰流板与电池箱底部之间的角度为α，扰流板的垂直高度为h。

1.2 模拟方法

1.2.1 条件假设

采用CFD 方法，对模拟做出以下假设：(1)对于低流速流动，空气不可压缩；(2)环境温度恒定，不随时间变化；(3)电池是由各向异性材料制成的简单实体，具有恒定的热导率和比热容；(4)电池充放电时的产热量为定值，不随温度和时间变化。

1.2.2 模拟设置

在仿真时设置基本条件为压力求解器，稳态求解方法，进口设为速度入口(空气流速为4 m/s)，出口设置为压力出口，环境温度为298.15 K。湍流模型为标准k-e 模型。电池箱壁面与空气自然对流，其对流换热系数为5 W/(m2·K)。电池箱、电池与空气的物性参数见表1。

表1 各材料物性参数

1.3 电池组散热系统模型验证

李淼林等[6]通过实验对电池组风冷散热系统进行了温度测试，其实验测定了由10 块电池单体组成的电池组在2C放电倍率下的表面温度和温差。本文在FLUENT 中设置与其实验相应的仿真条件和内热源，同时在与实验相同的位置设有电池表面温度测点。

电池组风冷散热系统的仿真结果与文献中实验测得结果对比见图2。图2(a)为电池表面测点温度仿真值与实验值对比。由图可知仿真得到的测点温度的变化趋势与实验值较吻合，但略低于实验值，这是因为在电池实际的充放电过程中，其生热量会随放热时间增加；而在模拟时，电池生热率被设为定值。图2(b)为各电池单体的测点温差值对比。图中，仿真与实验测得的各单体电池间温差平均值相差小于0.5 K。经分析可知，电池组表面各监测点温度值和温差值的仿真结果与实验结果变化规律基本一致，说明仿真结果准确，本文建立的电池组风冷散热模型可靠。

图2 电池组空气散热系统仿真结果(本文)与实验结果[6]对比

2 结果与讨论

2.1 网格无关性验证

数值计算与网格数量直接相关，网格数量越多，计算所需要的时间就越长。一般而言，当模型的网格数量增加到一定程度后，数值计算的精度就不再增加或缓慢增加，因此需要在网格数量与计算精度间寻求平衡。本文为排除网格量对仿真结果的影响，对模型进行了网格独立性验证。图3 为不同数量网格模型的求解结果。

由图3 可知，不同网格数量对仿真结果影响不大，当网格数超过74 万后，计算结果变化较小。考虑到扰流板尺寸较小，为提高模拟效率，本文选择230 万的体网格参数进行仿真计算。

图3 网格无关性验证

2.2 初始模型散热效果分析

图4 为初始模型(未加扰流板)的截面速度云图。由图可知，靠近出风口一侧的电池冷却流道1～5 空气流速较快，靠近进气口一侧的流道7～11 空气流速较慢，因此靠近进口处电池产生的热量难以被空气带走，从而导致流场前端电池尤其是电池8、9 的温度明显较后端电池温度高，引起电池组温度出现分布不均匀现象。同时，在流场前端，流道间空气流速不断衰减，使得冷却空气自下而上的散热能力逐渐减弱，造成电池6～10 出现顶部温度较底部温度高的现象；而在流场后端虽然电池间流速较高，但随着空气不断与电池换热，温度逐渐升高，导致了电池1～5 出现底部温度较顶部温度低的现象。因此，整个电池组的高温区域聚集在前端顶部，低温区域则聚集在后端底部。此时电池组的最高温度Tmax为312.41 K，电池间最大温差ΔT为12.42 K，已经远远超出了电池放电的适宜温度区间。

图4 初始模型截面速度云图

为了降低电池组最高温度和温差，本文在电池组冷却流道下方添加了扰流板，以改变流场分布。

2.3 扰流板的数量和位置对电池组散热性能的影响

为了简化研究过程，扰流板的倾斜角度α 和高度h分别设置为50°和5 mm，扰流板厚度设为0.5 mm，同时假设各单体电池在仿真模型中均加载体热源值20 993 W/m3，并采用稳态研究。由于扰流板数量和位置的不同，定义初始模型(无扰流板)编号为M0，定义不同的模型编号为Mn-x,y,z，其中M 表示模型，n表示扰流板数量，x、y、z分别表示扰流板位置。如M3-5,6,8表示3 块扰流板分别位于电池5、6 和8 下方。

2.3.1 单扰流板对电池组散热性能的影响

本节研究了单扰流板的不同安装位置对空气冷却系统的影响。图5(a)展示了电池组最高温度和电池间的最大温差随扰流板安装位置的变化曲线。图中横坐标M1-1～M1-10分别表示单块扰流板位于电池1～10 下方，M0表示原始模型即无扰流板的情况。由图可知，随着扰流板的安装位置逐渐向空气进口靠近，电池热管理系统的最高温度和最大温差均呈现先降低后升高的变化趋势，且均在扰流板位于电池7 下达到最低，此时电池组的Tmax为308.55 K，ΔT为8.70 K。相比于未安装扰流板的情况，电池的最高温度和最大温差均有明显的降低。图5(b)为M0、M1-2、M1-7、M1-10的流道平均流速对比，当扰流板在电池2 下时，扰流板比较靠近电池组的低温区域，在该位置增加扰流板仅对电池组的低温区域空气流速产生一定的影响，而不能对电池组高温区域产生较大的影响。因此在扰流板位于电池1～3 下时，与初始模型相比电池的温度未产生明显的差别。随着扰流板位置进一步向空气进口处靠近，扰流板对电池组高温区域产生的影响逐渐变大。在M1-7中流道1～6 的空气平均流速低于初始模型，而流道7～11 中的空气流速均高于初始模型，从而使得电池热管理系统对电池组的散热特性得到一定的改善。然而，当扰流板位于电池10下时电池组的最高温度和最大温差反而较初始模型更高，这是由于在靠近空气入口处安装扰流板会对其后方电池间空气流动起到阻碍作用，导致其流道中的空气流速大幅降低。

图5 单扰流板在不同位置下的电池组最高温度和电池间流道流速

以上研究表明将扰流板放在适当的位置可以增加电池箱内流场的均匀性，从而改善电池组的散热性能。同时，在电池1～3 下安装扰流板对电池热管理系统的影响非常小，因此在下面的研究中，本文未对扰流板安装于电池1、2 和3 下系统的散热特性作进一步研究。

2.3.2 双扰流板对电池组散热性能的影响

图6 为双扰流板在不同位置下的电池组温度变化曲线，图中横坐标缩略为两块扰流板各自的位置，如横坐标中4,5表示为扰流板分别安装在电池4 和5 下。由图6 可知，扰流板不同的位置和组合会对系统的冷却性能产生较大的影响。对各模型进行对比可知双扰流板与单扰流板的冷却结果较为相似，扰流板位于电池7 附近的组合所表现出的冷却效果较好。其中M2-5,7的最高温度为308.59 K，电池温差为8.67 K，散热性能最佳，相比于初始模型，电池组的Tmax降低了3.82 K，ΔT降低了3.75 K。模型M2-4,10、M2-5,10、M2-8,10和M2-9,10的最高温度和最大温差均要较初始模型高，这是由于在电池组进气口布置扰流板会在一定程度上降低尾部流场和扰流板后端流道的空气速度，引起冷却不均匀而导致的。

图6 双扰流板在不同位置下电池组的温度变化曲线

由图6 可知，在进气口附近即电池9 和电池10 下布置扰流板不仅没有改善流场分布，使电池组的最高温度和最大温差降低，反而较未安装扰流板时更高，导致电池热管理系统的冷却性能出现明显的降低，因此在安装三块扰流板的研究中，本文未对空气进口附近铺设扰流板的情况进行讨论。

2.3.3 三块扰流板对电池组散热性能的影响

图7 为三块扰流板在不同位置时电池组的温度变化曲线，图中横坐标缩略为三块扰流板各自的位置，如横坐标中4,5,6 表示为扰流板分别安装在电池4、5 和6 下方。图7 中，模型M3-5,6,8的冷却效果最好，此时电池组最高温度为308.18 K，电池间温差为8.25 K。模型M3-4,5,6和模型M3-4,7,8的冷却性能相对较差，这是由于扰流板相距过近或者离空气进口较近使空气流场分布均匀性变差导致的。

图7 三扰流板在不同位置下电池组的温度变化曲线

图8 为模型M0、M3-4,5,6、M3-4,7,8、M3-5,6,8截面的速度云图。由图8(b)可知，当扰流板全部集中于流场后端时，扰流板的安装未对前端的空气分布产生较大的影响。由图8(c)可知，当连续的两块扰流板位于流场中时，会使得其后方的2 块电池间空气流速显著下降，进而导致电池6 顶部产生高温区域。当扰流板被安装在电池5、6、8 下方时，由图8(d)可知此时电池组前端流道的空气流速较初始模型有明显增加，电池组中的气流速度分布较其他模型更为均匀，但是流道7 和流道11 中仍存在低流速区域，这也导致电池5、6 和10 的顶部较电池组其他部分的温度高。

图8 三扰流板在不同位置下的截面速度云图

2.4 扰流板倾斜角度对电池组散热性能的影响

本节分析了扰流板的角度α 对电池热管理系统冷却性能的影响。设置α 范围为20°～90°，间隔为10°。电池组的最高温度和最大温差随扰流板安装角度的变化曲线如图9 所示。由图可知，随着扰流板倾斜角度的增加，电池组的最高温度和最大温差呈现先降低后升高的趋势，当α=40°时，达到最小值，此时电池组的Tmax为307.97K，ΔT为8.03 K，冷却效果最好；与α=90°时相比，电池组最高温度和最大温差分别降低了0.78 和0.75 K。在下面的研究中，扰流板的倾斜角度均设置为40°。

图9 不同倾斜角下电池组的温度变化曲线

2.5 扰流板的高度优化

本节中进一步研究了扰流板高度对于电池组内空气流场的影响。通过2.3.3 节发现，冷却性能最优的模型中，电池组的高温区域集中在电池5、6 和10 顶部，因此本节中在电池10 下方额外布置一个扰流板。根据前文研究结论，前扰流板的高度不应较高，否则将对其后端冷却流道的气流速率产生较大影响，因此，扰流板10 和扰流板8 的高度设置为2～4 mm，步长为1 mm。另外，由于前扰流板会对空气流动产生一定的阻力，后扰流板的高度不应设置得过低，因此扰流板6 的高度设置为3～9 mm，步长为2 mm，扰流板5 的高度设置为5～9 mm，步长为2 mm。扰流板的高度组合和仿真结果见表2中。

表2 扰流板在不同高度下的仿真结果

结果表明，模型8 即当扰流板5、6、8、10 的高度分别为5、9、4 和2 mm 时的散热系统冷却性能最好，此时电池组流道1～5 流速较初始模型低，流道6～11 的空气流速明显高于初始模型，电池组的速度分布相比初始模型更加均匀。这说明适当调节扰流板的高度能较大地改善空气冷却电池热管理系统的冷却性能。优化后的电池组较初始模型有更高的温度均匀性，此时电池组的Tmax为306.37 K，ΔT为6.28 K，与原始模型相比，分别下降了6.04 和6.14 K(49.4%)。

2.6 扰流板长度对电池组散热性能的影响

本节研究了扰流板在不同长度时对电池组温度分布的影响，扰流板始终关于电池组x方向中心线对称，其余布置采用与2.5 节相同的设定。图10 为安装不同长度扰流板时的电池组温度曲线。由图可知，电池组的散热量随着扰流板长度的增加而升高，与53 mm 长的扰流板相比，安装69 mm 扰流板时电池组的最高温度降低了0.73 K，最大温差下降了0.87 K，与初始模型相比，这一数值为6.24 K，极大地提高了电池组的温度均匀性。这可能是因为长扰流板对电池组内空气流动的扰动更大，从而更好地改善了气流的速度分布。

图10 电池组温度随扰流板长度变化曲线

3 结论

本文基于Z 型电池组空气冷却热管理系统，研究了在电池组中安装扰流板对其冷却性能的影响特性，得出了如下的结论：

(1)扰流板的数量和位置对空气冷却散热系统的散热性能有较大影响。当扰流板位于进气口附近和尾端流场附近时，散热系统性能相对较差。采用三个扰流板时，扰流板分别位于电池5、6、8 下的电池组可以实现最佳散热效果。另外，随着扰流板倾斜角度的增加，散热系统的冷却性能呈现出先增加后降低的变化趋势，当倾斜角度为40°时，电池组的最高温度与最大温差均达到最小值。

(2)合适的扰流板高度可以增强散热系统的冷却性能。当四个扰流板分别位于电池5、6、8、10 下且高度分别为5、9、4 和2 mm 时，电池组的最高温度和最大温差达到最低，分别为306.37 和6.28 K，相比于初始模型，其ΔT降低了49.4%。

(3)扰流板的长度会影响风冷系统的散热性能，扰流板长度越长，系统散热量越高，电池组温度均匀性越好，相比于无扰流板结构，带长扰流板的电池组风冷散热系统的最大温差降低了50.23%。

在电池组中安装扰流板，有效地提高了空气冷却式电池热管理系统的散热性能，本文可以为电池组风冷散热系统提供设计参考。