基于风冷模型电池模组的建模与仿真分析

本文针对18650圆柱型锂离子电池提出了一种风冷热管理系统，整个电池模组由10颗18650锂离子电池组成，电池按2 × 5的排布方式进行布置。电池模组三维几何模型由相应3D建模软件绘制，论文论述了电池模组风冷散热的数值仿真过程，整个仿真在Ansys系统中fluent模块进行，为后续研究人员进行相应的热仿真提供基础。同时研究了流速对风冷散热的影响，探究了不同流速下电池模组的最高温度和温差，结果表明进风口流速的增加可以增强电池模组的散热性能。

近年来，新能源汽车已经吸引了广泛的关注，大批传统汽车产业纷纷迈入新能源赛道，逐步完成向新能源汽车产业的升级和转型。而锂电池凭借着其自身无记忆效应、高能量密度、大功率、高电压输出、低自放电率、维护成本低、使用寿命长，体积小和续航时间长[1] [2] [3]等优势一跃成为了新能源汽车上最重要的动力源[4]。然而，一些研究已经报道了锂离子电池的危害[5]，锂电池在运行和充放电过程中会产生热量，热量堆积会导致温度过高、容量下降，且造成电池模组内部温度不均匀[6] [7]。故需要设计一套有效的热管理系统减少过多的热量积聚和避免热失控的风险。传统的自然散热已不能满足电池的温度需求，现有的电池热管理冷却方法主要包括风冷、液冷、PCM 相变材料冷却和多种方式复合冷却[8]。本文主要针对风冷进行研究，目前研究主要是通过对电池模组的风道进行设计与优化、增加换热结构等来改善风冷散热。E 等人[9]对单独风冷模式下的18650 电池模组的热性能进行了研究，利用挡板来改善气流分布，结果显示电池模组与无挡板系统相比，最大温差为7.3℃，降低了28.8%。Tong 等人[10]研究了18650 电池在1C 放电倍率下，直列排布和交错排布情况下的热性能，并且通过改变电池间距以及进气速度来提高电池模组的风冷热性能，研究发现提高电池模组的进气速度和缩短电池之间的距离均可降低电池模组的温升。Park [11]对风冷电池模组的空气气流进行调整，通过在进风与出风口之间设置一个泄气道来改变电池模组内部空气流量的均匀性，从而可降低了电池模组的最高温度，同时也降低了进、出风口的压差。Na 等人[12]通过在圆柱形锂离子电池模组内部设置横向隔板，将电池模组内部空气流场划分多层流道， 并且使相邻通道的空气流向相反， 在3C 放电倍率下， 进口风速为2 m/s 时， 最高温度为38.7℃， 最大温差为4.5℃，由于隔板与电池的接触面积较小，限制了隔板的换热能力，电池温差的控制仍然不理想。

与单一的冷却方式相比， 采用多种不同冷却方式的热管理系统具有更好的冷却性能[13]， 但成组效率低、成本与维护费用高。相比之下，风冷策略要求的设备结构简单，系统的运行稳定可靠，成本也最低， 很容易实现。

本文在上述研究基础上提出了一种风冷散热系统以降低电池温差和提高风冷冷却能力，圆柱形锂离子电池按照2 × 5 正交排列组成电池模组，采用FLUENT 对电池模组的热性能进行了数值仿真分析，进一步通过改变进风口的风速来降低电池的模组的温度和改善电池模组内部温度均匀性，为后续研究人员进行热管理设计提供了基础。

2. 数值仿真模型 2.1. 电池模组的三维模型建立 图1 为风冷电池模组的结构图，电池模组由10 颗18650 锂离子电池呈2 × 5 正交排列组成，分为记