文|万象硬核
编辑|万象硬核
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锂离子电池作为新能源电动汽车的主要动力源，其热特性管理不仅制约着电池寿命及续航里程，一旦出现热蔓延，将导致电池热失控，引发安全隐患。
锂离子电池，正常工作温度处于-20℃~60℃,理想工作温度范围20℃~40℃。故锂离子电池热特性有两个评判指标，一个是单体电池最高温度低于40℃,另一个是单一电池组温差不超过5℃。对于锂离子电池后端产线设备行业，一般要求单一充放电设备内单一电池组温差不超过4℃。
因此给电池降温显然是一件非常重要的事，但仅仅是降温还不够，而是要根据特定发热位置进行降温，因此风扇的位置和排列至关重要。国外某厂商，因为降温不及时导致电池温度过高而引起事故。
针对锂离子电池充放电设备内电池组温升过高、温度一致性不好的问题，以风冷系统充放电设备为研究对象，基于数值传热学理论，建立热力学计算模型并结合测试验证。那么这样是否可以降低电池过热而引发的各种问题的危险性？
数值计算方法
简化的充放电设备模型由电池组、托盘、机构平台及风机组成，如图1所示。电池组包含64只4695锂离子电池，主要参数见表1。电池组呈8×8方式阵列，横向或纵向相邻两只锂离子电池中心距为60mm。
托盘内通风孔及环形风口用于空气流通。每只电池对应四个直径为D的托盘通风孔，对应一个尺寸为δ环形风口。机构平台底部风机将空气强制导入托盘内，通过电池组周围通风孔或环形风口，带走电池表面热量，形成对电池组的热特性管理。
通过抽象充放电设备内散热特性，确认影响电池组热特性的主要因素是托盘通风结构与风机布局，以下研究将基于上述两点着重展开。
锂离子电池生产涉及多种工艺结合，故其内部结构相对复杂，同时会发生各种热、化学反应，为了便于研究充放电设备散热性能，对锂离子电池单体仿真模型做相应简化处理。锂离子电池简化为各向异性的实心圆柱体，产热恒定。电池产热计算公式：
式中：q为电池热量，W；V为电池体积，m3；I为电池电流，A；U0为电池开路电压，U为电池工作电压，V；T为电池温度，℃。
充放电设备内热交换过程以热对流为主，锂离子电池组与空气对流关系如下：
式中：Qcv为对流传热量，W；h为表面对流换热系数，W/(m2·℃)；A为对流接触面积，m2；ΔT为电池温度与空气温度差值，℃。
流体介质遵循连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
基于压力求解器，选用工程上更经济的Standardk-ɛ湍流模型[20]，采用二阶迎风格式的Coupled算法，使用双精度对控制方程进行稳态求解。空气物性参数为常数，温度为25℃,大气压力为常压，气固边界无滑移。托盘、机构平台与空气进行自然对流散热，对流换热系数5W/(m2·K)，模拟充放电设备电池组1.5C(45A)倍率放电时温度分布情况，单体电池生热率48800W/m3。
针对电池组通道序号定义，充放电设备模型图1(b)中，左下角为通道1，左上角为通道8，右下角为通道57，右上角为通道64，其他通道序号依据从下到上、从左到右的顺序依次递增。
利用ANSYSICEPAK对充放电设备风冷系统进行研究，对全计算域划分适应性强的非结构化网格。为提高计算精度，在流固壁面交界处建立边界层，并对其进行加密处理。
考虑到网格数对仿真计算影响较大，选用4套网格数验证电池组最高温度及最大温差变化趋势，如图2所示。当网格数量大于440万时，电池组最高温度及最大温差趋于稳定，考虑计算精度及经济性，最终选择440万网格。
通过充放电设备测试平台(D=20mm，δ=0mm，风机正对电池，风机数量Fan=9)，分别进行0.5C(15A)、1.0C(30A)、1.5C(45A)三种倍率放电温升测试，每只电池上表面单独配备一只温度传感器，可实时采集电池上表面温度。选取电池组中实测温度最高的电池通道，与仿真值对应通道对比，如图3所示。
其中仿真值监控点与实测监控点一致，均为电池上表面。由图3可知，随着放电倍率增大，电池最高温度逐渐上升；当电池以1.5C倍率放电时，电池温度急剧上升，放电后期电池热量堆积，使其温度分布超过热管理需求。整体看来，实测值与仿真值温度分布趋势基本一致，两者拟合度较好；不同倍率下，两者最大偏差为4.2%，表明热力学仿真模型相对准确。
托盘通风结构对电池组热特性影响分析
充放电设备风冷系统的空气流体，主要通过流经托盘通风结构带走电池表面热量，实现对电池组热特性管理。托盘通风结构，包括托盘通风口D及托盘环形风口δ用于空气过流。为了探究不同托盘通风结构对电池组热特性的影响，设计如下方案：
方案1研究托盘通风孔的影响，当δ=0mm时，对比不同托盘通风孔D(20mm、22mm、24mm、26mm)对电池组温度分布及充放电设备流场的影响程度；
方案2研究托盘环形风口的影响，当D=20mm时，对比不同托盘环形风口δ(0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm)对电池组温度分布及充放电设备流场的影响程度；
图4为不同托盘通风孔对应电池组温度云图，由图4可知，不同工况下电池组温度分布趋势一致，电池组温度呈现对称型分布，且中间区域温升高于周边区域。在充放电设备风冷系统中，电池组作为固定热源进行热辐射扩散热量，需利用风冷系统进行对流换热降低电池本体温度，当电池组内部流场不畅时，将导致中间区域热量集聚，形成温度中间高、周边低的现象。
图5为不同托盘通风孔对充放电设备系统性能的影响。由图5(a)可知，随着通道数依次增大，对应通道温度呈现周期性变化；随着D增大时，电池组局部高温出现明显下降，且最大温差显著减小。
图5(b)则表明，托盘通风孔D的数值大小与各工况下电池组温升及温度均匀性基本呈线性关系，当D=20mm时，电池组最高温度46.6℃(温升21.6℃)，最大温差6.3℃;当D=25mm时，电池组最高温度42.8℃(温升17.8℃)，最大温差3.1℃。通过增大D，至多可使电池组最高温升下降8.2%，温度均匀性改善50.8%。
由图5(c)及(d)可知，随着D增大，风阻逐渐下降，通风量则持续上升，电池组表面湍动能缓慢提高，但总体数值较低。这说明通过改变托盘通风孔D，可以一定程度上改善风冷系统流场通风量，从而对降低电池最高温升、改善电池组温度一致性，有积极影响。但电池组表面湍动能处于相对低位，
说明电池表面换热强度不高，对流换热性能不佳。因而仅通过改变托盘通风孔，不能将电池组最高温度控制在40℃以内，说明托盘通风孔D对电池组的热特性影响有限。
图6为不同托盘环形风口对应电池组温度云图，相比于图4，图6中电池组整体温升下降更明显，这说明托盘环形风口δ比托盘通风孔D更能影响电池组温度分布。
图7为不同托盘环形风口对充放电设备系统性能的影响。图7(a)可知，随着δ增大时，电池组温度波动相对更加平缓，当δ≥1.5mm时，电池组各通道温度均低于40℃。
图7(b)则表明，托盘环形风口δ对电池组温度分布影响呈现非线性关系；随着δ增大，电池组最高温度分别为42.4℃、40.4℃、39℃、38.3℃,最大温差分别为2.8℃、1.9℃、1.4℃、1.2℃;各工况下电池组依次下降4.7%、3.5%、1.8%，温度均匀性改善32.1%、26.3%、14.3%，这表明δ对电池组温度分布的影响，随着δ数值增大而逐渐减弱。
由图7(c)及(d)可知，不同托盘环形风口δ与不同托盘通风孔D对充放电设备内风压及通风量的影响趋势基本一致，但环形风口δ对电池表面湍动能的影响程度是通风孔D的1.8倍。
综合来看，托盘环形风口δ对电池组温度分布影响更显著，甚至起关键性影响作用。造成这种现象主要有如下原因：①托盘环形风口紧贴着锂离子电池外表面，可以引导冷空气流经电池表面，提升电池表面对流换热系数，从而达到改善电池组散热效果的目的；②托盘环形风口的引入，可以提高电池表面附近的湍流度，湍动能强度的提升同样可以导致传热率的增加，起到增强风冷系统对流换热的效果。
风机布局对电池组热特性影响分析
充放电设备利用风冷降低电池的最高温度，并改善电池组温度均匀性性。作为风冷的主要动力源，风机布局的位置及数量将会显著影响电池组换热效率。为了探究不同风机布局对电池组热特性的影响，设计如下方案：
方案3研究风机位置的影响，当D=20mm，δ=1.5mm时，对比不同风机位置对电池组温度分布及充放电设备流场的影响程度，如图8所示；
方案4研究风机数量的影响，当D=20mm，δ=1.5mm时，对比不同风机数量对电池组温度分布及充放电设备流场的影响程度，如图9所示；
图10为不同风机位置对应电池组温度云图，与图10(a)相比，图10(b)电池组局部高温更明显，且高温区域明显增多，说明不同的风机位置布局对电池组的温度分布有显著差异。
图11为不同风机位置对充放电设备系统性能的影响。
由图11(a)及(b)可知，对比风机正对电池的工况，风机正对通风孔时，电池组周边区域温度相对稳定，中间区域各通道温度均有明显上升，尤其电池组的最高温度39.6℃趋近于40℃临界点，最大温差则上涨21.4%，这显然不利于电池组的热特性管理。图11(c)及(d)表明，风机正对通风孔时，充放电设备内通风量提升了31.4%，这是因为风道正对通风口，
充放电设备内流场相对更加顺畅。但风机位置的偏移，会导致流场流体远离电池组表面，充放电设备内空气流体虽然呈现增加势态，但流体并未流经电池组表面，导致电池组表面对流换热效果下降。同时电池组表面流体的减少，也致使电池组表面湍动能呈现减弱趋势，再一次降低了电池组表面换热性能。
图12为不同风机数量对应电池组温度云图。由图12可知，不同风机数量会导致电池组的温度分布趋势不一致；Fan=8和9时，电池组温度分布范围较接近，当Fan=6和7时，电池组温度分布范围明显加大，且局部高温明显。
图13为不同风机数量对充放电设备系统性能的影响。由图13(a)及(b)可知，风机数量对于电池组的温度分布呈现积极影响，随着风机数量增加，电池组最高温度持续下降，且电池组温度一致性更趋近；当Fan=6时，电池组最高温度处于40℃临界值；当Fan=9时，电池组最高温度下降到39℃,温度一致性改善30%。
图13(c)及(d)表明，风机数量与充放电设备内通风量及电池组表面湍动能呈正相关，与Fan=6相比，Fan=9时，通风量提升23.8%，电池组表面湍动能上升21.6%，电池组表面换热性能得到极大提升，因而电池组热特性表现更优秀。虽然Fan=6时，电池组热特性相对较差，但整体亦能满足需求，而当考虑碳排放时，风机数量越少则意味着越能节省系统能耗及成本。
结语
托盘通风结构对改善电池组热特性管理有显著影响，托盘环形风口可将电池组表面湍动能提升80%，对强化电池表面换热性能、促进风冷系统对流换热效果起关键作用，当δ≥1.5mm时，电池组满足最高温度低于40℃且最大温差小于4℃的热特性需求；托盘通风孔在有限范围内(D=20~26mm)，不能使电池组热特性满足需求；
风机布局同样影响电池组热特性管理，相较于风机正对电池时，当风机正对通风孔时，虽然通风量提高31.4%，但并未实质性改善电池表面对流换热效果，反而致使电池组最高温度趋于40℃临界值，最大温差上升21.4%；
风机数量越多，风冷系统通风量及电池表面湍动能提升越明显，当Fan=6时，电池组最高温度为40℃,若考虑节能需求，风机数量处于6~8时，一方面能满足热特性管理需求，另一方面则有助于节省系统能耗，同时降低系统成本。
