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《储能科学与技术》推荐|刘剑等：扰流结构对电池热管理系统的传热特性研究

科技   2024-12-12 13:11   北京  

作者：钱亨1(), 刘剑2(), 霍玉雷3  

单位：1. 浙江水利水电学院；2. 浙江杭可科技股份有限公司；3. 浙江城建煤气热电设计院股份有限公司

引用： 钱亨, 刘剑, 霍玉雷. 扰流结构对电池热管理系统的传热特性研究[J]. 储能科学与技术, 2024, 13(11): 3889-3897.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0581

本文亮点：1.基于具体工程应用，构建多通道电池热管理系统物理模型；2.创新的研究扰流结构对锂电池充放电设备内多通道电池组热特性的影响；3.针对电池组系统热特性的表象，引入努塞尔数及范宁摩擦系数进行深入分析

摘 要 为解决锂离子电池充放电设备内电池组热管理系统的热特性需求，通过构建多通道电池组热管理系统扰流结构物理模型，结合单体电池实测参数进行热模型验证。基于有限体积法进行数值仿真研究，对无扰流及不同扰流结构分别进行数值模拟计算，采用努塞尔数和范宁摩擦系数分别表征电池组系统传热与流动特性，分析了扰流结构角度、扰流结构长度及扰流结构排列方式对电池组热管理系统传热与流动特性的影响。结果表明：扰流结构能够提升流场的湍流强度，提高电池表面的对流换热效率，增加系统的压差；增加扰流结构角度，电池组最高温度及最大温差先增大后减小，而增加扰流结构长度，电池组最高温度及最大温差则先减小后增大，当扰流结构角度为45°、扰流结构长度为15 mm时，系统的热特性表现最佳；当扰流结构角度与长度固定时，不同扰流结构排列方式对系统热特性影响较小，但均明显优于无扰流状态。以上研究成果为锂离子电池充放电设备中多通道电池组的热管理系统设计提供参考和依据。
关键词 锂离子电池；热管理系统；扰流结构；传热；风冷
锂离子电池作为目前电动汽车应用的主流产品，具有高能量密度、高电压、低自放电率及无记忆功能等特性。因电动汽车的全球市场蓬勃发展，锂离子电池的市场规模还在持续增长中，预计2025年其产业规模将达994亿美元。单体锂离子电池的最佳工作温度一般处于20~40 ℃，过高或过低的温度会影响其使用寿命及电池性能指标。单一锂离子电池组的温差一般要求不超过5 ℃，而针对锂离子电池后端产线设备，一般要求单一锂离子电池组温差不超过4 ℃。锂离子电池组的温差表现，将直接决定锂电池品质。因此，对锂离子电池组进行热管理研究非常必要。
目前，国内外针对锂离子电池热管理进行了多方面的研究，其中通过调整系统结构来提高系统的换热性能，具有直接、高效且经济的优势。王雨等通过研究扰流板的数量、位置、高度、长度及倾斜角度，有效提升了散热系统的冷却性能，并明显改善电池组温度分布。陈凯等基于贪婪算法，在最佳进出口导流板角度基础上，通过优化电池间距，进一步减小电池组的最大温差。Park研究发现，在保持原有系统及结构布局的情况下，通过调整导流板角度，并在相应位置开通风口，则可有效降低电池温升和温差。肖威等提出一种侧面U形开孔结构，通过调整散热孔排布方式优化电池模组内部流场，改善了电池模组的温度一致性。Yu等在系统结构中增加垂直扰流板，以增强空气对流换热，提高系统的冷却性能。Sun等在设置扰流板时，提出纵向扰流板与圆柱环结合的新型扰流板，发现该扰流结构不仅可以增加传热面积，同时在传热介质内引入的导热网络对改善电池热管理有较大作用。葛哲分析了电池模组各种角度交错移动对温度一致性的影响，同时引入了电池交错与梯形扰流板结合的形式，最终对电池模组的温度分布有显著优化。
以上研究主要集中在电池模组散热优化，或选择少量的电池进行风腔或风道研究。针对锂离子电池生产线，尤其是后端产线上充放电设备内数量多、排布密，且对温度要求极高的电池组热管理系统却鲜有研究报道。本文依据实际工程应用中，锂离子电池后端产线充放电设备内电池组通道数量多(64通道)、排列紧凑、热量集中、温度一致性要求高的特点，利用数值仿真技术，研究电池组系统中扰流结构角度、扰流结构长度及扰流结构排列方式，对电池热管理系统流动与传热强弱的影响，旨在为电池热管理系统热特性设计提供参考。

1 数值计算方法

1.1　物理模型

本研究基于具体工程应用构建电池热管理系统物理模型，如图1所示。电池组系统总长L1=740 mm，总宽W1=480 mm，总高H1=90 mm。电池组系统中包含64通道大圆柱电池，电池直径D=46 mm，高度H2=80 mm，标称容量30 Ah，充电上限电压4.2 V，放电截止电压2.8 V，电池内阻1.25 mΩ，能量密度280 Wh/kg。大圆柱电池在系统中呈居中且阵列排布，电池与出、入口距离L2=160 mm，与侧边距离W2=30 mm；相邻电池的中心距离W3=L3=60 mm。

图1   电池组热管理系统物理模型

(a) 系统模型参数示意 (b) 扰流结构示意 (c) 扰流结构参数示意

实际工程应用中，无扰流结构电池组热管理系统，风向自左向右，电池组完全阵列排布，前后存在遮挡情况，必然导致前后电池温度存在差异。因此考虑在电池组系统出口端最后三排电池间增加扰流结构，以加强对应通道电池的强化换热效果，达到改善温度一致性的目的，其中扰流结构长度为S，与水平线夹角为θ。
为评估单体电池发热功率，针对单体电池进行不同倍率充放电试验，计算充放电测试过程中造成的能量损耗，从而折算出单体电池等效热源。等效热源计算过程如下：①针对单体电池进行指定倍率先恒流、再恒压充电流程，明确能量数据与流程时长；②使用相同倍率进行恒流放电流程，明确能量数据与流程时长；③单体电池充、放电过程中，能量差值即转换为发热损耗，其计算公式为：

(1)
式中，Pavg为电池平均发热功率，W；Q为充放电流程中能量损耗，Wh；t为充放电流程总时长，h。
单体电池不同倍率充、放电测试数据如表1所示。

表1   单体电池不同倍率充放电测试参数


1.2　数值计算模型

数值计算过程主要涉及对流换热，并对模型进行热-流耦合计算。为了简化计算模型，作如下假设：①流体不可压缩；②流动状态为三维定常流动；③流-固边界无滑移；④不考虑辐射影响；⑤电池由各向异性的圆柱体组成；⑥电池产热恒定，不随时间和温度变化。湍流模型选用经济性能更好，且更适用于工程上的Standard k-ɛ，基于压力求解器，动量与能量等方程均采用二阶迎风格式，采用双精度对控制方程进行求解。同时电池组系统的流动与传热满足流体三大方程——连续性方程、动量方程及能量方程。流体介质为常温、常压状态下空气，入口处温度25 ℃，速度为3 m/s。电池组系统四周面为绝热壁面，单体电池等效热源选取1.5 C倍率平均功率，电池材质选用钢镀镍。
为对电池组热管理系统的流动与传热特性进行研究，引入范宁摩擦系数f和努塞尔数Nu，这两个无量纲数对应表达为：

(2)

(3)
式中，Δp为系统压降，Pa；Dh为进出口水力直径，m；ρ为流体密度，kg/m3；u为流体平均速度，m/s；L为电池组系统长度尺寸，m；h为对流传热系数，W/(m2·K)；λ为流体导热系数，W/(m·K)。
对流传热系数为：

(4)
式中，Q为总热量，W；A为对流换热面积，m2；Tw为平均壁面温度，℃；Tf为流体平均温度，℃。

1.3　网格无关性及模型验证

为明确数值计算的精确性，分析系统压降Δp、电池组最高温度Tmax及最大温差ΔT随网格数变化的发展趋势，以验证网格无关性。通过逐步加密电池圆周方向及径向网格，分别构建网格数为16.9万、27.6万、50.8万、107.5万、213.5万、456.9万及767.5万。当网格数由213.5万继续增加到456.9万时，系统压降Δp与电池组最高温度Tmax分别下降了0.59%、0.26%，电池组最大温差ΔT则基本无变化。考虑到计算经济性及精度要求，最终选取213.5万网格模型进行数值计算。

图2   网格无关性验证

对单体电池进行0.5 C、1.0 C及1.5 C三种不同放电倍率实测与仿真模拟对比，如图3所示。由图3可知，单体电池在不同倍率下的仿真温升曲线均能与实测数据较好地吻合，表明所用电池热模型能准确地预测电池真实生热率；单体电池在1.5 C倍率下生热迅速，且放电结束前最高温度接近临界温度40 ℃，因此当电池组通道数量多、排列紧密且热量集中时，则更容易造成热失控。

图3   不同放电倍率下仿真与实测温升曲线

2 扰流结构角度影响分析

当电池组热源功耗、入口风速、风温及风压相同的情况下，且扰流结构长度S=15 mm时，图4研究了无扰流结构及不同扰流结构角度(θ=15°、30°、45°、60°、75°及90°)与电池组温度及温差的对应关系。由图4可知，随着扰流结构角度的增加，电池组的最高温度及最大温差趋势一致，其变化曲线均呈现“M”状。当扰流结构角度为15°时，电池组最高温度及最大温差分别为38.9 ℃、3.9 ℃，相比于无扰流结构，分别上升了1.3%、18.2%，热管理表现最差；扰流结构角度为45°时，电池组最高温度及最大温差分别为37.2 ℃、2.3 ℃，相比于无扰流结构，分别下降了3.1%、30.3%，热管理表现最优。

图4   扰流结构角度与温度、温差对应关系
不同扰流结构角度下电池组的Nu、f的对应关系如图5所示，无扰流结构与扰流结构θ=45°速度矢量图如图6所示。图5表明，不同角度的扰流结构Nu均大于无扰流结构Nu0，即Nu/Nu0＞1，说明扰流结构的传热性能更优于无扰流结构，这是因为扰流结构增加电池组内部流场的湍流，使得气流能与电池组热源进行充分的热交换。扰流结构的Nu随着扰流结构角度增加先上升后下降。当扰流结构角度为15°~45°时，传热强化倍数Nu/Nu0为1.01~1.09；当扰流结构角度为60°~90°时，传热强化倍数Nu/Nu0分别对应1.06~1.04。这是由于扰流结构角度越大，对流体的阻挡效益越显著，气流在扰流结构处形成二次流漩涡加强此处的换热效应，但当扰流结构角度超过45°后，扰流结构处二次流效果被削弱，导致气流不能持续在此次进行热交换，因而Nu/Nu0开始下降。从图5还可以看出，不同扰流结构f也比无扰流f0大，表明扰流结构在气流流动方向上形成了阻碍作用，扰流结构的流动阻力要大于无扰流结构。当扰流结构角度≤45°时，摩擦系数f随着扰流结构角度增加而线性上升，此时摩擦系数比f/f0处于1.22~1.49；当扰流结构角度＞45°时，摩擦系数先下降后上升，此时最小摩擦系数比f/f0=1.38位于扰流结构角度为60°时，这是因为扰流结构会导致流场压差升高，造成摩擦系数的增加，当扰流结构角度＞45°时，流场湍流加剧导致电池组系统压差始终处于高位，所以摩擦系数亦处于相对高位。

图5   扰流结构角度与Nu、f对应关系

图6   扰流结构角度速度矢量图

3 扰流结构长度影响分析

当控制扰流结构角度θ=45°时，图7对比了无扰流结构及不同扰流结构长度(S=5 mm、10 mm、15 mm、20 mm及25 mm)与电池组温度及温差的对应关系。图7表明，随着扰流结构长度的增加，电池组的最高温度及最大温差变化曲线均呈现“V”状。当扰流结构长度≤10 mm时，电池组最高温度及最大温差的热管理性能，略微优于无扰流结构；扰流结构长度为15 mm时，电池组温度表现比其他对照组更好，呈现最优的热管理表现；扰流结构长度≥20 mm时，电池组最高温度及最大温差呈现快速上升趋势，且劣于无扰流结构，当扰流结构长度为25 mm时，电池组最高温度及最大温差分别为40.3℃、5.1℃，相比于无扰流结构，分别上升了4.9%、54.5%，热管理表现最差。

图7   扰流结构长度与温度、温差对应关系
图8为不同扰流结构长度与电池组系统Nu、f的对应关系，图9为扰流结构S=20 mm时速度矢量图。由图8可知，不同长度的扰流结构对系统的影响不尽相同。当S≤15 mm时，Nu呈现线性上升趋势，且均大于无扰流结构Nu0，该阶段传热强化倍数Nu/Nu0为1.01~1.09，说明此时扰流结构的长度有益于电池组热管理，尤其是当S=15 mm时，Nu处于最大值，传热强化倍数Nu/Nu0=1.09，说明此时的流体热交换最为充分，从而使得电池组热特性表现最为优秀。当S≥20 mm时，Nu/Nu0为0.98~0.99，相比于S=15 mm时，Nu急剧下降，说明此时扰流结构的长度与系统散热性能呈现反相关性，尤其当S=20 mm时，此时传热强化倍数Nu/Nu0=0.98为所有对照组中最低。这是因为当扰流结构长度持续增加时，会导致电池间流体过流量相应减少，如图9所示，气流虽然仍与电池表面进行充分的对流换热，但少量的流体无法带走更多的热量，所以此时Nu反而低于无扰流结构，说明过长的扰流结构对电池组散热性能产生消极作用。同时图8也可以表明，扰流结构长度与电池组系统摩擦系数呈现正相关性，即扰流结构通过阻挡气流，形成二次回流提升系统Nu，同时对系统能量亦造成相应的损失。

图8   扰流结构长度与Nu、f对应关系

图9   扰流结构长度S=20 mm时速度矢量图

4 扰流结构排列方式影响分析

控制扰流结构长度S=15 mm、角度θ=45°时，分析不同扰流结构排列方式如图10所示。图11对比了无扰流结构及不同扰流结构排列(P1、P2、P3及P4)与电池组温度及温差的对应关系。由图11可知，不同的扰流结构排列方式的热管理性能均明显优于无扰流结构，但各扰流结构排列方式间差异不大。这是因为扰流结构角度θ=45°与扰流结构长度S=15 mm均为上述研究对照组中最佳，有益于扰流结构排列方式。扰流结构排列P1与P4热管理表现一致，且性能相对更优，电池组最高温度及最大温差分别为37.2 ℃、2.3 ℃；扰流结构排列P2与P3，电池组最大温差均为2.4 ℃，最高温度分别为37.2 ℃、37.3 ℃。

图10   扰流结构排列方式

(a) P1 (b) P2 (c) P3 (d) P4

图11   扰流结构排列与温度、温差对应关系
图12研究了不同扰流结构排列方式对电池组系统Nu、f的影响，图13则展示了扰流结构排列P4的速度矢量图。图12表明，各排列方式的扰流结构对电池组系统的Nu及f均有十分显著的提升，相比于无扰流结构Nu0，P1~P4传热强化倍数Nu/Nu0处于1.08~1.09，说明以上各扰流结构的排列均明显地改善了电池组热管理性能。当然，各扰流结构方式的摩擦系数也处于明显高位，P1~P4摩擦系数比f/f0处于1.43~1.49。这是因为在气流方向上扰流结构多次介入流场，使得气流在电池组系统中反复形成二次流，从而保证气流能更长时间接触电池表面，同时也由于扰流结构的存在，虽然强化了系统的对流换热性能，但也因此形成高压差，使得系统的摩擦系数上升。

图12   扰流结构排列与Nu、f对应关系

图13   扰流结构排列P4速度矢量图

5 结 论

（1）不同角度扰流结构的传热特性优于无扰流结构，因为扰流结构增加电池组内部流场湍流，强化电池组表面对流换热性能；但扰流结构也对气流形成阻碍，使得系统摩擦系数上升；当扰流结构角度θ=15°时，电池组最高温度及最大温差均高于无扰流；当θ在30°~90°时，电池组最高温度及最大温差则明显低于无扰流，且当θ=45°时，系统热特性表现最佳。
（2）不同长度扰流结构对电池组热管理系统传热特性影响差异较大，当扰流结构长度S为5~15 mm时，扰流结构传热特性比无扰流更好，尤其当S=15 mm，电池组最高温度及最大温差分别下降3.1%、30.3%，为对照组中最低值；当S≥20 mm时，扰流结构对系统传热特性起抑制作用，使电池组热特性比无扰流更差。
（3）不同排列方式的扰流结构对电池组热管理传热特性均有显著提升，但因为各排列方式中扰流结构角度与扰流结构长度均选取最优值且保持一致，故使得不同扰流结构排列方式P1~P4对系统热特性影响有限，其中P1及P4相对更优。

第一作者：钱亨（1992—），男，博士，讲师，从事流体数值模拟研究，E-mail：qianh@zjweu.edu.cn；

通讯作者：刘剑，高级工程师，从事锂离子电池充放电设备产品散热研究，E-mail：515975844@qq.com。

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储能科学与技术
中文核心、科技核心和cscd核心期刊，化学工业出版社和中国化工学会主办，主编黄学杰研究员。投稿及下载官网：http://esst.cip.com.cn/CN/2095-4239/home.shtml；欢迎给公众号投稿
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