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用于插电式混合动力汽车的锂离子电池模块的空冷器热管理的参数研究
Liwu Fan ， J. M. Khodadadi , A. A. Pesaran
亮点：
- 用三维CFD进行风冷PHEV 锂离子电池模块模拟。
- 间隙空间和空气流速的影响进行了权衡考虑。
- 通过减少相邻单元间的间隙降低温度的升高。
- 温度均衡性的改进来源于高流速但中等的间隙距离。
- 对单侧冷却和不均匀间隙距离的合理设计进行了测试。
摘要：
执行了一个包含了由用商用计算流体动力学程序运行,在主动驾驶剖面下运行的三棱柱形锂离子电池的风冷模块的三维瞬态热分析。现有的模块利用通过每块电池两旁的均匀通道的空气进行冷却。结果发现减少风扇引线的间隙间距和/或提高流速可以降低最大温升。为了提升模块表面的温度均匀性，间距空间应该为中等大小。对于给定的模块，使用3mm的均匀间隙， 40.8msup3;/h的空气流速似乎是最好的选择以满足风机功率，最大温升和温度均衡性的权衡要求。在使用相同的间隙距离和空气流速的情况下，单侧冷却的拟议设计并没有双侧冷却那么有效。不均匀的间隙会影响温度分布，但不会显著地影响最大温升。考虑到设计变化选项的多样性和它们的结合，得出结论，沿着气流方向的温度梯度会被影响但通常是不可避免的。
- 介绍
锂离子电池是新兴电动汽车，混合动力汽车和插件混合动力电动汽车（PHEV）动力的关键部件。锂离子电池模块运行的许多方面受到了它们的工作温度的影响，包括充电接受能力，所储能量容量，可靠性等等影响。一些电动汽车，混合动力汽车和PHEV的锂电池组的理想热管理系统设计出现的问题已有 Peasran 鉴别和解决。热管理系统的设计已被Vlahinos等人通过使用6-sum;过程改进。锂离子电池的热建模和分析在文献中已被广泛的讨论。为了定量地评估温度对电池性能的影响，我们在美国发展了先进汽车模拟器（ADVISOR）。美国能源部可再生能源实验室和商用有限元程序ANSYS一起使用以分析和改进现有的电池模块/组的设计。同样，计算机建模也是在阿贡国家实验室进行以协助锂离子电池的热管理系统的设计。建模工作扩展到分析电化学和锂离子电池的热行为。一种简单的一维电化学和集总热模型由Smith和王一起开发，以研究锂离子混合动力电动汽车电池组的脉冲功率限制和热行为。Kim和Pesaran 提出理论上的和计算后的使用不同冷却介质的电池组的冷却效果比较，例如空气，矿物油，和水/乙醇等。风冷系统与直接接触式液体冷却相比的优点和缺点早已被确定。最近，在数据上更表明了利用往复气流可以提高锂离子电池组表面的温度均匀性。由于风冷系统的简易性，它在许多应用中是首选的。然而，在强迫空气对流冷却的框架中，缺乏对其详细参数研究的文献以系统地考虑几何参数和鼓风机功率对冷却效果的影响。
由此，我们对一个棱柱形锂离子电池的风冷模块的热管理系统的参数研究进行了数值上的计算。模型的临界量，包括最大温升，温度均匀性（由电池的最大和最低温度差值衡量）和所需风扇的功率从计算结果中被提取出来。一些设计上的变更项目，即单侧与双侧间隙，不均匀与均匀间隙间隔和它们的组合分别根据前述的量进行了比较。
- 问题的提出
在本研究中，重点分析了一个包含了在主动的缩放功率曲线上充电/放电的锂离子电池的PHEV风冷模型。为了达到这个功率曲线，我们利用了Pesaran等人的分析，对于一个中型PHEV小轿车以64公里（40英里）全电动范围，由被环境保护机构称为US06的标准驾驶试验结果曲线示意图驱动。此驱动周期为600s(10min)，平均速度为77.5km/h，与其他驱动周期相比被认为是积极的。PHEV40的电池组的功率曲线被用于模块的测量并且提高了30%为了提高功率直到产生更多的热量。这里的这个功率曲线被称为1.3 X US06(PHEV40)。
这个模块在图1a中展示，包含了8个15Ah的锂锰化物阴极和石墨阳极，线性和环状烷基碳酸酯与LiPF6盐的标准组合的棱形软包电池。然而本文中讨论的热模拟的方法可以在任何电池化学中应用。八个15Ah的棱形电池被垂直放置在相邻单元间间隔均匀的模块中。一个放在模块侧面的冷却风扇可用于协助降低操作温度。电池被编号为1至8，8号代表最接近风扇的电池，如图1b所示。气流可以通过模块的流型结构重新定向，并且通过电池间的九个单独间隙流动；气流通过模块顶部的九个与大气接触的出口端离开模块。为了简单起见，模型中排除了电池格和所有其他电子组件。风扇通过在入口（圆周）施加恒定的速度边界条件建立模型，反之，出口（九个出口端）被指定为压力出口边界条件（间图1b）。绝热，无滑移壁边界条件适用于计算域的所有其他边界（白墙）。
对棱柱形电池的尺寸进行了测量并且商用15Ah电池的热物理性质被用于建模工作。此外，在用1.3times;US06(PHEV40)功率曲线测试的商用电池的热生成率用国家可再生能源实验室的等温量热计测量。棱形电池的尺寸和热物理性质在表1中列出。该模块假定在1.3times;US06（PHEV40）功率曲线下运作600s，期间应用了时间平均热生成率。现有的模块中的相邻电池的间隙距离都为3mm。入口的强制空气流速由风扇的体积流速(V)决定，相当于20.4m^3/h。环境温度，这也是整个模块的初始温度，假定为约27℃，在这个建模工作中，热辐射的传输被认为是可以忽略不计的并且没有考虑在内。
- 数值解
在过去的三年中，我们广泛地利用流体力学技术和代码进行涉及流体流动的设备和/或工艺的设计、分析和优化。在这次的定量研究中，使用了ANSYS FLUENT 12。带有边界条件的网状计算域如图1b所示。在测试有几种网格密度之后，用的是一个整个计算域约100000个六面体单元的合适网格系统。在解决方案中，通过对时间步长的依赖性检测，将控制方程积分的时间步长设为1S。收敛准则是，流动和热能的控制方程的残差分别小于104和106。
在这个问题中的8块电池，每一个都能被认为是垂直方向的均匀块，内部热源在两侧都有强制对流。用瞬态集总模型估计，在600s后，每个电池的“无强制空气冷却”的集总最高温升约为9.66℃，由：
这可以看作是单个电池温度上升的理想上限。预测温度上升按预计会低于这个值，由于被迫空气冷却对单独的棱柱电池的热提取。值得注意的是，这种理论最高温升得到了初步验证，在由1.3times;US06(PHEV40)功率曲线测试操作下的15Ah的电池上进行了热成像测试。由于热成像和电池数值模拟结构之间有着很好的一致性，所有的模拟都使用了合适的代码和物理模型。
通过相当于一个20.4msup3;/h的流速的风扇的雷诺数被确定为近似8times;10^3，表明了冷空气进入模块是紊链态。利用二方程高阶雷诺数湍流模型（k,e，ε）。假设冷却空气进入每个单独的间隙是相等的，对于通过风扇的20.4msup3;/h的流速，每个间隙（25.5cm长）的雷诺数确定为约338，表明进入每个间隙的冷却空气处于层流状态。当然，在实际的模块中，由于每个电池的空气通道的位置不对称，通道内的流量分布不均匀。ANSYS FLUENT模拟说明了风扇对于每个空隙的接近度，因此，每个通道内的流速和相关的雷诺数都不同，我们预计气流在每个通道内都是层流，因为雷诺数都是小于1000。
用参数研究法研究了以下内容：
- 风机间隙与流速的变化
- 单侧冷却方案，以及
- 不均匀间距方案
通过观察温度的升高，温度场的均匀性和所需风扇的功率比较这些不同的设计选项。
- 结果与讨论
目前的情况相当于现有模块（d=3mm,V=20.4msup3;/H）的运行状况，预测的在8个电池内的三维温度分布在放电（t=600s）结束后如图2所示。8个电池的最高温升大约为6.53℃，这是在电池中发现的最高温升。与“无强制冷却”条件下的集中温升相比，强制风冷时最高温升下降了大约3℃。温度场在每个电池上水平分层，如近水平等温线所示。为了一个个电池地定量比较预计温度场信息，每个电池的最大，最小和平均温升值被记录在表2中，其中温度分布的标准偏差也被计算以表现每个电池的温度均匀性。中间电池表现出最高温升在顶部区域附近，同时也表现了最差的温度均匀性，标准偏差的高值就证明了这点。电池内的“温度梯差”代表了每个电池的预测的最大和最小温升直接按的差异。这个数值对热管理系统的设计和优化是至关重要的，表面温度的均匀性直接影响电池的寿命。两侧的电池（1号和8号）有约2.4℃的温度梯度，而中间电池的温度梯度近3℃。
4.1 相邻电池间的间距的影响
将风扇提供的流速固定在V=20.4msup3;/H，间隙的预测温度场的影响被参数化地研究。间距值不是增加（d=4或5mm）就是减少（d=1或2mm）。需要注意的是，间距的变化不影响间隙的雷诺数的值被设为338，所以流动是层流的。使用相同的温标，在图3中，对五个间隙值下600s后的电池内预计的三维温度分布作比较，包括d=3mm，温标设置在26.85℃到36.50℃的原案。下限是模块的初始温度，上限是对应于“无强迫冷却”（约9.65℃）下的最大温升。显然，借助风扇提供的冷却空气，所观察到的不同间隔的温度永远达不到红色温度区域的高温。随着间隙的减小，模块中间的温度越高；随着间隙的增大，最热的区域逐渐向靠近风扇的中心迁移。由于自然对流不会对单个电池的冷却起太大的作用，这表明，流动和个体间隙间的雷诺数是不均匀的，换言之，不同于理想状态的338。根据电池离风扇最远的电池有着更有效的冷却，一号电池两侧的两个间隙内的雷诺数比在八号电池两侧的两个间隙中所对应的值更大。下面将定量地介绍这一情况。为了指导这个模块的优化，每个电池上的温度均匀性是一个临界值。电池内温度场的标准偏差是衡量温度均匀性的量度。这些值被列在表三中，其中“总体”一列中的标准偏差是考虑所有电池及其相关温度场得到的值。一般来说，通过固定风扇的流速，最大的温升始终是增加的（由于较高的传热率），但随着间隙间距的增加，促进了每个电池的整体温度均匀性，反之亦然。间距从d=1mm到d=5mm间变化，八个电池内的最大温升增加了约0.77℃，伴随着同时的有利的补偿，温度均匀性改进了0.41℃（表3的最右列）。在八个电池中，边缘的电池相比与模块中间的，随着距离的增加表现了更好的温度均匀性。类似上述的讨论关系到离风扇最远的电池的有效冷却，因为提高了冷却空气的流速，边缘电池更好的温度均匀性也实现了。
在讨论了风机恒定空气流量下热场与气隙间距的关系的一般观察后，我们现在考虑对给定间隙间距的各种冷却空气流速进行参数研究的结果。
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- 风扇的流速的影响
间距被固定在原先的d=3mm，并检查了风扇流速的影响。冷却空气的流速要么增加（V=30.6或40.8msup3;/H）要么减少（10.2msup3;/H）。如果间距在9个间隙中均匀分布，间隙的雷诺数的对应值分别为507，676和169。注意到V=0msup3;/h对应这“无强制冷却”的情况。对于各种空气流速的600s后电池内的预计三维温度分布对比列在图4中，其温度标度与图3相同。据观察增加风机的流速能显著地降低模块内温度的上升。例如，对于V=40.8msup3;/H的这种情况，模块内的温度等值线落入蓝色和绿色温标区域。相比与V=20.4msup3;/H的情况，加倍的空气流速能减少最大温升约1.8℃。然而，对于空气流速的最小值，模块的中间被观察到更高的温度，随着空气流速的提升，最热的位置向最靠近风扇的8号电池靠近。因为自然对流是可以忽视的，这表明个别间隙内的雷诺数有别于先前给出的各自均分时的值。换句话说，随着离风扇的最远的电池的更有效的冷却，一号电池周围的两间隙中的雷诺数比包好电池周围的两间隙的对应值更大。这种现象类似与上面所观察到当恒定的空气流量时，间距是变化的。下面将定量地进行讨论。
当空气流量在10.2到40.8msup3;/H间变化时，8个电池内的最大温升下降了3.27℃，同时伴随这温度均匀性0.2℃的有利补偿（表4的最右侧，其中在不同流速下电池内温度场的标准偏差值和d=3mm以给出）。然而，包括温度均与性的改进和空气流速的提高的相关性在不同的电池上体现这不同的特征。例如，位于风机最远处的一号电池总是表现着最均匀的温度。这个现象背后的推论在先前的讨论中呈现。
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- 间隙中雷诺数对间隙距离和空气流量的依赖性
在参数化的研究中，对五种不同的间隙值（d=1,2,3,4,5mm）和四种风扇流速（V=10.2，20.4，30.6，40.8msup3;/H）进行了研究。20种组合内的8种将详细讨论。观察到最大温升和温度均匀性的程度取决于间隙距离和空气流速。根据前面讨论的观察到的温度场，对于离风扇最远处的一号电池两侧的间隙一直是提供随着间距或空气流速增加而增加的冷却的通道。据推测，这与冷却空气在不同间隙之间的不均匀分配有关。数据会证明我们的假设，流速和相应的雷诺数在这9个间隙中是不同的。选出了20种情况中的两种，基于两平行无限长平板边界通道内层流理论准则。根据这一理论，流体入口长度，一个需要完全一致的速度剖面转换成抛物线的分布是雷诺数的线性函数。在此基础上，选择了两种极端情况（d=1mm，V=10.2msup3;/H和d=5mm,V=40.8msup3;/H）。对于d=1mm，V=10.2msup3;/h的情况，间隙内的流动发展得非常迅速，在离开模块前就已经充分发展。对于另一个极端的例子，d=5mm， V=40.8msup3;/H，流动从来没有达到充
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