某型集装箱储能电池模块的热设计研究及优化

本工作以某型集装箱内的电池模块为研究对象，通过在电池模块内布置导流板来改善电池模块内的流场分布特性从而改善电池散热面的温度分布特性，从而为电池提供一个较好的工作环境。在此基础上，对于导流板的布置规律进行总结，为解决工程实际提供技术参考。

1 数值计算方法

1.1 电池模块模型参数

集装箱内的电池模块布置模型如图1 所示。电池模块的几何尺寸为698 mm×455 mm×188 mm，每个电池的尺寸为174 mm×47.5 mm×127 mm，如图2所示，内部电池的布置方式为3 排电池平行布置，每排由8 块电池组成， 其中电池的间隙如图3所示。

图1 集装箱布置图

图2 电池模块三维模型

图3 电池模块内部电池布置俯视

1.2 控制方程

本工作利用Fluent 数值仿真来对建好的网格模型进行迭代仿真计算。在Fluent 仿真软件中选用标准的k-ε 湍流模型对电池模块内的流体进行描述。根据实际情况而言，电池模块内的空气流速相对于空气中声音的传播速度来说很小，所以这种情况下空气可以认为是不可压缩的流体。

标准k-ε 模型的湍动能k 和耗散率ε 方程见式(1)、式(2)

1.3 结构化网格划分

结构化网格可以很容易地实现区域的边界拟合，适于流体和表面应力集中等方面的计算。而且这种网格还具有生成速度快、质量比非结构化网格好，计算时花费的时间更少等优点。故考虑到运算时间成本和建模时间成本，本文采用结构化网格来对模型进行划分。与此同时为了增加模拟的精确性在电池间隙、电池模块壁面以及过渡处进行边界层加密处理。

1.4 网格独立性测试

基于上文提到的模型进行网格独立性验证，本节做出了4 套不同数量的网格对其电池散热面的最高温度进行监测，用来验证网格的无关性，结果见表1。

从表中可以看出网格数量为281 万和338 万的电池散热面温度基本一致，此时可以认为散热面的温度不再随网格数量的增多而变化，可以说明模拟结果趋于稳定，不再受网格数量的影响，所以选用281万的网格作为模拟仿真使用的网格。

表1 电池模块网格无关性验证

1.5 初始电池模块模型的仿真分析

根据电池尺寸和散热的相关数据，经简化后的电池的散热面积为1.5782 m2，散热面的热流密度为181.2 W/m2，取进口的速度为3.4 m/s，进口温度设置为15 ℃。进口设置为速度进口(velocity-inlet)，出口设置为压力出口(pressure-outlet)，出口压力设置为环境压力。其余面设置为壁面(wall)，假设电池模块壁面和流体之间没有热量交换。本课题组选择较为简单的基于压力的求解器来对所述模型进行模拟求解。Fluent 计算结果收敛之后，可以得到初始电池模块模型的散热面温度云图和流场流线图，见图4～图7。

图4 散热面温度云图

从图4 中可以看出电池模块内电池表面的温度分布很不均匀，整体呈现箭矢形状。靠近入口的第一排电池整体温度都比较低，第二排电池处于过度的阶段，而第三排电池则整体温度开始比较高，这是由于空气从入口到出口的过程中在不断升温，导致其降温能力在不断下降，结合图6 的流场温度云图也可以验证这一观点。通过图5 的流场流线图可以看到电池模块上部空间的空气流速比较大，这样就会使散热面的上表面的温度比较低。

图5 流场流线图

图6 流场温度云图

图7 流场速度矢量图

2 模型优化方案设计

在对于流场的调控中，可以通过导流板的合理布置来达到均匀流场的目的。本工作主要通过导流板的布置对电池模块内的流场进行调控，从而调节电池模块内温度场。这其中研究的影响参数包括导流板的尺寸和导流板与电池模块壁面之间的角度这两方面。通过图5 的速度矢量图也印证了这一点，从两张有关速度的图中可以看出后两排电池间隙内的空气流速比较低，这是电池间隙过小造成的。

2.1 导流板宽度的影响

保持电池模块的主体尺寸、电池间隙等参数不变，在与电池前端重合的位置增设不同宽度的导流板，观察导流板尺寸对于流场和散热面温度场的影响。导流板的宽度w分别为20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，导流板的布置位置如图8所示。

图8 导流板的宽度布置

通过仿真计算得到的电池组的最高温度和平均温度与导流板尺寸之间的关系曲线图，如图9 和表2所示。

图9 最高温度和平均温度与导流板宽度关系

表2 最高温度和平均温度与导流板宽度关系

通过图9 可以看出随着导流板的宽度增加，电池散热面的最高温度和平均温度都在下降，从表2可以看出，当导流板的宽度为50 mm的时候，电池散热面的最高温度降为328.41 K(55.41 ℃)，平均温度降为301.98 K(28.98 ℃)，总体而言满足电池的工作条件。但是受限于电池模块内部空间大小，导流板不宜再增加。因为考虑到电池内电池的物理安全，导流板过大，会导致导流板和电池接触，一旦电池模块受到外部撞击，可能就会损坏内部的电池。

2.2 导流板角度的影响

在原来的参数不变的基础上， 选择尺寸为40 mm的导流板，探究导流板角度对于流场和散热面温度场的影响。导流板的角度α 分别设置为90°、75°、60°、45°、30°，导流板的角度设置如图10 所示。当导流板与电池模块壁面之间的角度过小时，可以粗略的认为未增加导流板的情况，故不再对30°以下的导流板的影响做分析。

图10 导流板的角度布置

通过仿真计算得到的电池组的最高温度和平均温度与导流板布置角度之间的关系曲线图，如图11和表3所示。

图11 最高温度和平均温度与导流板布置角度关系

表3 最高温度和平均温度与导流板布置角度关系

通过图11 可以看出随着导流板角度的增减，电池散热面的最高温度和平均温度也是呈现下降的趋势，因此此类电池模块在设置导流板的时候应该以垂直于电池模块壁面的形式来布置导流板，这样更有利于电池的散热。

3 总 结

本文以某型集装箱储能系统电池单元模块为研究对象，基于ICEM、Fluent 软件对其热性能特性进行分析及优化。得出如下结论。

（1）随着导流板宽度的增加，电池散热面的散热效果越好，但是受限于电池模块内部剩余空间的大小，导流板的宽度不能过大，避免在受到外力撞击作用下损坏电池结构。

（2）随着导流板角度的增加，电池的散热效果也会变好，散热效果最好的是将导流板与电池模块表面垂直的情况。

（3）在风冷系统中，导流板的合理布置可以有效地降低电池散热面的最高温度和平均温度，根据仿真结果在导流板布置空间允许的情况下，尽可能处置与电池模块壁面布置导流板，并且导流板的宽度也要尽可能的大。

文章来源：泊松比