主要內(nèi)容：

• 1.串聯(lián)通風(fēng)
• 2.平行通風(fēng)

 

電池箱（或電池包）內(nèi)不同電池芯和電池模組之間的溫差會(huì)加劇電池內(nèi)阻和發(fā)熱的不一致性。如果長時(shí)間積累，會(huì)導(dǎo)致部分電池過充或過放，影響電池壽命和性能，并造成安全隱患。不同電芯之間的溫差與電池組/模組的排列方式有很大關(guān)系。一般電池中心溫度高，邊緣散熱條件好，溫度低。因此，在安排電池包/模組結(jié)構(gòu)和散熱設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能保證各電池單體散熱的均勻性。根據(jù)通風(fēng)方式，風(fēng)冷電池冷卻主要分為串聯(lián)通風(fēng)和并聯(lián)通風(fēng)兩種模式?；驹砣鐖D 1 所示。

圖1——串并聯(lián)通風(fēng)示意圖

圖1(a)為串聯(lián)通風(fēng)，低溫空氣從左側(cè)進(jìn)入電池模塊，從右側(cè)排出電池模塊。空氣在流動(dòng)過程中不斷被加熱，所以右邊的電池散熱效果比左邊的差，右邊的電池溫度很可能比左邊的高。圖 1(b) 顯示平行通風(fēng)。通過楔形進(jìn)排氣通道設(shè)計(jì)，使電芯和電池模組之間的氣流平行通過，有利于空氣在不同電芯和電池模組之間的分布更加均勻。

1.串聯(lián)通風(fēng)

他在弗吉尼亞理工大學(xué)的等人構(gòu)建了一個(gè)串聯(lián)通風(fēng)電池模塊。電池模塊由8節(jié)A12326650動(dòng)力電池（2.3A·h，3.3V）4串2排并聯(lián)組成。最終電池模組電壓為14.8V，容量為4.6A·h。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括充放電設(shè)備、溫度、壓力、測速裝置、控制裝置、風(fēng)洞裝置等，風(fēng)洞裝置可有效控制風(fēng)速，風(fēng)速范圍為0.5~30m·s ^-1. 他等人。借助ANSYS/FLUENT軟件對(duì)該模塊進(jìn)行了二維數(shù)值模擬研究。數(shù)值模型忽略了流體參數(shù)和流場方向的變化。CFD模型示意圖和網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖2(a)和(b)所示。網(wǎng)格采用四邊形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于電池附近速度梯度較大，邊界層網(wǎng)格已經(jīng)細(xì)化。

圖 2 - CFD 模型和網(wǎng)格劃分示意圖

H等人的研究思路。就是用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證數(shù)值模型，然后用數(shù)值模型研究不便測量或相對(duì)昂貴的實(shí)驗(yàn)方案。在這個(gè)串聯(lián)通風(fēng)電池組模型中，He 等人。獲得了代表電池模塊的溫度、空氣流速和壓力的實(shí)驗(yàn)測量值。他們的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果的比較非常吻合。隨后，他們利用經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)值模型對(duì)不同風(fēng)速、不同電池殼距離下的能耗進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，對(duì)于兩種間距條件，隨著風(fēng)速的增加，能耗功率增加，當(dāng)風(fēng)速從0.1m·s增加時(shí)^-1 到10m·s ^-1，能耗增加了5個(gè)數(shù)量級(jí)，可見優(yōu)化電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能耗的重要性。電池殼間距為5mm時(shí)的能耗大于間距為17mm時(shí)的能耗。這是因?yàn)樵谙嗤L(fēng)速下，間距增大，（Re）雷諾數(shù)減小，摩擦系數(shù)減小。

圖 3 - 不同風(fēng)速和距離下的能源消耗

2.平行通風(fēng)

劉等人。天津大學(xué)構(gòu)建并聯(lián)通風(fēng)簡化計(jì)算模型，預(yù)測大型風(fēng)冷電池組中電池組的氣流速度和溫度分布。這種并聯(lián)通風(fēng)簡化計(jì)算模型的示意圖如圖4所示。圖4(a)為整個(gè)大型電池組，由楔形進(jìn)出風(fēng)管和若干個(gè)相同的電池模塊組成。電池模塊的結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。電池模組由8個(gè)電芯組成，內(nèi)含5個(gè)電芯，單體為圓柱形18650電芯。同一電池單元中相鄰的兩個(gè)電芯通過極板連接，使得兩組電芯之間夾有單獨(dú)的冷卻通道。_{風(fēng)道末端的min}  ，以及電芯間距l(xiāng) _sp 是影響速度和溫度分布的研究對(duì)象。

圖4——平行通風(fēng)模型示意圖

這種簡化的計(jì)算模型包括流阻網(wǎng)絡(luò)模型和瞬態(tài)傳熱模型。流阻網(wǎng)絡(luò)模型主要計(jì)算不可逆壓力損失，包括局部損失和摩擦損失，然后通過壓力和速度的變換關(guān)系得到整個(gè)系統(tǒng)的速度分布；瞬態(tài)傳熱模型利用流阻網(wǎng)絡(luò)模型導(dǎo)出的速度場計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)，然后結(jié)合電池產(chǎn)熱模型和電池單體中心參數(shù)熱模型得到的產(chǎn)熱量，得到溫度變化電池單體、電池單體和電池模塊。劉等人。利用Runge-Kutta算法對(duì)瞬態(tài)傳熱模型中的相關(guān)微分方程進(jìn)行離散化處理，通過MATLAB軟件編程求解流阻網(wǎng)絡(luò)模型和瞬態(tài)傳熱模型。將這種簡化計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與CFD模型的結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合較好。

圖5(a)~(c)分別反映了風(fēng)道夾角θ、 回風(fēng)道末端最小寬度ωmin、單元間距l(xiāng)sp_{對(duì)速度} 和溫度均勻性的影響電芯的分布。從圖中可以看出，速度和溫度的均勻性隨著風(fēng)道角度θ的增大而提高。為使電芯最大溫差小于5℃，在5℃放電時(shí)，角度θ不能小于16.5°；4C放電時(shí)，角度θ不能小于13.2°。同樣，當(dāng)角度θ為10°時(shí)，5C和4C放電時(shí)的最大溫差可以小于5°C，只有間距l(xiāng) _sp 電池單元的厚度分別至少為 16.4 毫米和 10.1 毫米。_{增大θ和l sp}這兩個(gè)參數(shù) 可以降低流道的壓力損失，但也明顯增加了電池模組的體積，降低了電池模組的能量密度。當(dāng)θ為10°，lsp_為 1mm時(shí)，回風(fēng)管端部最小寬度Wmin至少分別為14.1mm和8.3mm，以滿足排放小于5℃和4℃時(shí)的最大溫差5°C。對(duì)比結(jié)果表明，只調(diào)整回風(fēng)管尺寸ωmin_比 調(diào)整進(jìn)風(fēng)管和回風(fēng)管ωmin更有_{優(yōu)勢(shì)} 同時(shí)，由于進(jìn)風(fēng)管壓降不如回風(fēng)管明顯。圖5(d)為電池組中各電池模組的入口流量、最高溫度和最低溫度。從圖中可以看出，各模塊的體積平均溫度不相等，與入口流量呈負(fù)相關(guān)。

圖5——風(fēng)冷散熱特性

韓國現(xiàn)代汽車公司的Heesung根據(jù)熱性能要求設(shè)計(jì)了一種特殊的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱模型，并通過理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由兩排電池組組成，每排電池組由 36 個(gè)電池單元和 37 個(gè)冷卻通道組成。整個(gè)電池組電壓為270V，儲(chǔ)能為1400W·h，單體電池表面熱流密度為245W·m ^-2。

冷卻通道流量分布直接影響電池組的溫度均勻性，通道結(jié)構(gòu)對(duì)流量分布至關(guān)重要。在此前提下，Park設(shè)計(jì)了五種不同的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，如圖6(a)~(e)所示。方案一的進(jìn)氣歧管和回氣歧管為矩形，方案二和方案三的進(jìn)氣歧管和回氣歧管分別為斜角，方案四在方案三的基礎(chǔ)上將出風(fēng)口方向改為反方向，第五種方案是在第三種方案的基礎(chǔ)上，在右側(cè)開一個(gè)窄長孔。

圖 6 - 五種不同的通風(fēng)方法

圖7(a)~(e)反映了五種不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的電池包的溫度分布云圖。從圖中可以看出，電池組的最高溫度直接受通過冷卻通道的流量影響。第一種方式中的最高溫度出現(xiàn)在距離出風(fēng)口最遠(yuǎn)的電池上，這是由于最右側(cè)的轉(zhuǎn)輪中的氣流最小。第二種逐漸放人口、逐漸變細(xì)出風(fēng)口的方法，使電池組最高溫度的位置向出風(fēng)口方向移動(dòng)，傳熱變差，最高溫度遠(yuǎn)高于第一種方法。第三種錐形進(jìn)、出口方式可大大降低最高溫度，但仍不能滿足熱設(shè)計(jì)要求。對(duì)于進(jìn)、出口在同一側(cè)的情況，由于人口出口處流道壓力急劇增加，流速大大降低，傳熱性能變差，導(dǎo)致溫差較大電池組。第四種方法可以大大降低最高溫度。這樣可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。對(duì)于進(jìn)、出口在同一側(cè)的情況，由于人口出口處流道壓力急劇增加，流速大大降低，傳熱性能變差，導(dǎo)致溫差較大電池組。第四種方法可以大大降低最高溫度。這樣可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。對(duì)于進(jìn)、出口在同一側(cè)的情況，由于人口出口處流道壓力急劇增加，流速大大降低，傳熱性能變差，導(dǎo)致溫差較大電池組。第四種方法可以大大降低最高溫度。這樣可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。流量大大降低，傳熱性能變差，導(dǎo)致電池組溫差大。第四種方法可以大大降低最高溫度。這樣可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。流量大大降低，傳熱性能變差，導(dǎo)致電池組溫差大。第四種方法可以大大降低最高溫度。這樣可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。可以看出，在遠(yuǎn)離入口的地方釋放通道的壓力可以大大提高流量分布的均勻性，從而提高冷卻性能。第五種方法借鑒了第三種和第四種方法，最高溫度低于第四種方法，最高溫差低于設(shè)計(jì)要求20℃。

圖7——五種通風(fēng)模式下溫度分布云圖

 

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本文由日本NEC鋰電池中國營銷中心于2023-04-22 11:43:08 整理發(fā)布。
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