电池包进出口通道设计与仿真研究

葛哲

摘要：提出了调整电池包进出口通道大小和位置的方法，用来改善电池组的散热性能。结果显示，进出口通道大小缩小至原始模型进出口通道的0.5倍时，电池组的散热效果最好。然后平移进出口通道，得到通道平移2.5mm有最好的散热效果。该进出口通道设计为电池热管理系统提供了新的优化方案。

Abstract： A method to adjust the size and position of the inlet and outlet channel of battery pack is proposed to improve the heat dissipation performance of battery pack.The results showed that the heat dissipation of the battery pack was best when the size of the inlet and outlet channel was reduced to 0.5 times that of the original model.Then translate the import and export channel， get channel translation 2.5mm has the best heat dissipation effect.The design of the inlet and outlet channel provides a new optimization scheme for the battery thermal management system.

关键词：电池热管理;空气冷却;进出口通道设计;数值仿真

Key words： battery thermal management;air cooling;inlet and outlet channel design;numerical simulation

中图分类号：TM914.4;TP274                     文献标识码：A                                       文章编号：1674-957X（2020）20-0021-02

0  引言

近年来随着全球范围内汽车行业的快速发展，发展新能源汽车成为解决问题的重要举措[1]。电池充放电会释放热量，而过高的热量会影响电池的使用寿命，甚至发生爆炸[2]。为了使锂离子电池具有较优的工作环境，需要将电池组温度控制在20℃到40℃之间，最大温差不超过5℃[3]。本文从进出口通道设计方面入手，找到具有较优的散热方案。

1  模型描述

本文所研究的电池包模型的尺寸为260×26×73 mm，电池与电池间距和电池与箱壁的间距均为4mm，图1锂电池组是由1×8纵向排列的8个18650电池组成，模拟时选取的环境温度为25℃，风量恒定为1.898m3/s，表1显示的是电池主要参数。电池发热强度是74163W/m3[4]。

1.1 改变进出口通道的大小

在电池包进出口处向电池包内延伸40mm，作为进出口通道，如图2显示，按箭头方向移动进口处板1和出口处板2，从而达到收缩进出口的目的，本文缩减的进出口大小依次设置为原始模型进出口大小的0.5倍、0.25倍、0.125倍。

1.2 移动进出口通道的位置

在以上研究中的最优进出口大小的基础上，分别将进出口通道相向移动相同的距离，进出口通道移动的方向如图3显示，研究进出口通道移动距离对电池组最高温度，最大温差，平均温度及压降的影响。移动距离选取1.5mm、2.5mm、3.5mm、4.5mm、5.5mm、6.5mm。

2  仿真分析

2.1 边界条件

本文研究的模型包括冷却空气部分的流体区和电池部分的固体区，分别采用速度入口和压力出口作为入口条件和出口条件，环境温度为25℃，动量和能量方程采用二阶迎风格式离散。

2.2 改變进出口通道大小的热分析

如图4，图5显示，当进出口通道相对原始模型进出口通道的倍数较小时，电池组的最高温度与最大温差均较低，平均温度较小，压降越大。而当进出口相对于原始模型进出口0.5倍时，此时压降大小为21.14Pa，压降相对于原始模型增加了6.69Pa，而最高温度降低了1.12℃（3.36%），最大温差减小了0.28℃（5.41%），平均温度降低了1.09℃（3.19%）。当进出口通道大小相对于原始模型进出口通道的0.5倍，能取得较优的散热效果。

2.3 移动进出口通道的热分析

图6、图7显示的是进出口通道平移不同的距离，电池组对应的最高温度，最大温差以及平均温度和压降，如图6，图7所示，当进出口通道的移动距离为2.5mm时，此时电池组的最高温度和最大温差最小。电池组的平均温度达到最低，压降略有升高，此时电池组的压降为21.32Pa，与原始模型相比较，电池组压降增大了6.87Pa，在可接受的范围内，而电池组的最高温度降低了2.79℃（7.75%），最大温差减小了1.16℃（22.35%），最大温差降低了2.4℃（7.01%）。

3  结论

本文对电池包的进出口通道进行调整，通过缩减进出口通道的大小以及移动进出口通道位置的方法，达到改善电池组散热性能的作用。通过得到的数据对比，证实本方法的有效性和可行性。结果表明：①当进出口通道大小相当于原始模型中进出口通道大小的0.5倍时，与原始模型相比，此时电池组的最高温度降低了1.12℃（3.36%），最大温差减小了0.28℃（5.41%），平均温度降低了1.09℃（3.19%）。②在进出口通道大小为原始模型进出口通道0.5倍的基础上，当平移距离为2.5mm时，此时电池组的具有较优的散热性能，与原始模型相比，此时电池组的最高温度降低了2.79℃（7.75%），最大温差减小了1.16℃（22.35%），最大温差降低了2.4℃（7.01%）。

参考文献：

[1]谈秋宏.电动汽车用锂离子电池的热特性研究[D].北京交通大学，2018.

[2]杨勇.18650锂离子电池产热模型及运用研究[D].重庆大学，2018.

[3]X.F. Lin， H. Fu， H.E. Perez， J.B. Siege， A.G.   Stefanopoulou， Y. Ding， Parameterization and observability analysis of scalable battery clusters for onboard thermal management， Oil Gas Sci. Technol. Revue d’IFP Energies Nouvelles 68 （2013） 165-178.

[4]Yuqi Huang， Yiji Lu， Rui Huang， et al. Study on the thermal interaction and heat dissipation of cylindrical Lithium-Ion Battery cells. 2017， 142：4029-4036.

[5]Sihui Hong， Xinqiang Zhang， Kai Chen， et al. Design of flow configuration for parallel air-cooled battery thermal management system with secondary vent. 2018， 116：1204-1212.