本工作以某型集裝箱內(nèi)的電池模塊為研究對象，通過在電池模塊內(nèi)布置導(dǎo)流板來改善電池模塊內(nèi)的流場分布特性從而改善電池散熱面的溫度分布特性，從而為電池提供一個較好的工作環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，對于導(dǎo)流板的布置規(guī)律進行總結(jié)，為解決工程實際提供技術(shù)參考。

1 數(shù)值計算方法

1.1 電池模塊模型參數(shù)

集裝箱內(nèi)的電池模塊布置模型如圖1 所示。電池模塊的幾何尺寸為698 mm×455 mm×188 mm，每個電池的尺寸為174 mm×47.5 mm×127 mm，如圖2所示，內(nèi)部電池的布置方式為3 排電池平行布置，每排由8 塊電池組成， 其中電池的間隙如圖3所示。

圖1 集裝箱布置圖

圖2 電池模塊三維模型

圖3 電池模塊內(nèi)部電池布置俯視

1.2 控制方程

本工作利用Fluent 數(shù)值仿真來對建好的網(wǎng)格模型進行迭代仿真計算。在Fluent 仿真軟件中選用標(biāo)準的k-ε 湍流模型對電池模塊內(nèi)的流體進行描述。根據(jù)實際情況而言，電池模塊內(nèi)的空氣流速相對于空氣中聲音的傳播速度來說很小，所以這種情況下空氣可以認為是不可壓縮的流體。

標(biāo)準k-ε 模型的湍動能k 和耗散率ε 方程見式(1)、式(2)

1.3 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以很容易地實現(xiàn)區(qū)域的邊界擬合，適于流體和表面應(yīng)力集中等方面的計算。而且這種網(wǎng)格還具有生成速度快、質(zhì)量比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格好，計算時花費的時間更少等優(yōu)點。故考慮到運算時間成本和建模時間成本，本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來對模型進行劃分。與此同時為了增加模擬的精確性在電池間隙、電池模塊壁面以及過渡處進行邊界層加密處理。

1.4 網(wǎng)格獨立性測試

基于上文提到的模型進行網(wǎng)格獨立性驗證，本節(jié)做出了4 套不同數(shù)量的網(wǎng)格對其電池散熱面的最高溫度進行監(jiān)測，用來驗證網(wǎng)格的無關(guān)性，結(jié)果見表1。

從表中可以看出網(wǎng)格數(shù)量為281 萬和338 萬的電池散熱面溫度基本一致，此時可以認為散熱面的溫度不再隨網(wǎng)格數(shù)量的增多而變化，可以說明模擬結(jié)果趨于穩(wěn)定，不再受網(wǎng)格數(shù)量的影響，所以選用281萬的網(wǎng)格作為模擬仿真使用的網(wǎng)格。

表1 電池模塊網(wǎng)格無關(guān)性驗證

1.5 初始電池模塊模型的仿真分析

根據(jù)電池尺寸和散熱的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)簡化后的電池的散熱面積為1.5782 m2，散熱面的熱流密度為181.2 W/m2，取進口的速度為3.4 m/s，進口溫度設(shè)置為15 ℃。進口設(shè)置為速度進口(velocity-inlet)，出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)，出口壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。其余面設(shè)置為壁面(wall)，假設(shè)電池模塊壁面和流體之間沒有熱量交換。本課題組選擇較為簡單的基于壓力的求解器來對所述模型進行模擬求解。Fluent 計算結(jié)果收斂之后，可以得到初始電池模塊模型的散熱面溫度云圖和流場流線圖，見圖4～圖7。

圖4 散熱面溫度云圖

從圖4 中可以看出電池模塊內(nèi)電池表面的溫度分布很不均勻，整體呈現(xiàn)箭矢形狀。靠近入口的第一排電池整體溫度都比較低，第二排電池處于過度的階段，而第三排電池則整體溫度開始比較高，這是由于空氣從入口到出口的過程中在不斷升溫，導(dǎo)致其降溫能力在不斷下降，結(jié)合圖6 的流場溫度云圖也可以驗證這一觀點。通過圖5 的流場流線圖可以看到電池模塊上部空間的空氣流速比較大，這樣就會使散熱面的上表面的溫度比較低。

圖5 流場流線圖

圖6 流場溫度云圖

圖7 流場速度矢量圖

2 模型優(yōu)化方案設(shè)計

在對于流場的調(diào)控中，可以通過導(dǎo)流板的合理布置來達到均勻流場的目的。本工作主要通過導(dǎo)流板的布置對電池模塊內(nèi)的流場進行調(diào)控，從而調(diào)節(jié)電池模塊內(nèi)溫度場。這其中研究的影響參數(shù)包括導(dǎo)流板的尺寸和導(dǎo)流板與電池模塊壁面之間的角度這兩方面。通過圖5 的速度矢量圖也印證了這一點，從兩張有關(guān)速度的圖中可以看出后兩排電池間隙內(nèi)的空氣流速比較低，這是電池間隙過小造成的。

2.1 導(dǎo)流板寬度的影響

保持電池模塊的主體尺寸、電池間隙等參數(shù)不變，在與電池前端重合的位置增設(shè)不同寬度的導(dǎo)流板，觀察導(dǎo)流板尺寸對于流場和散熱面溫度場的影響。導(dǎo)流板的寬度w分別為20 mm、30 mm、40 mm、50 mm，導(dǎo)流板的布置位置如圖8所示。

圖8 導(dǎo)流板的寬度布置

通過仿真計算得到的電池組的最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板尺寸之間的關(guān)系曲線圖，如圖9 和表2所示。

圖9 最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板寬度關(guān)系

表2 最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板寬度關(guān)系

通過圖9 可以看出隨著導(dǎo)流板的寬度增加，電池散熱面的最高溫度和平均溫度都在下降，從表2可以看出，當(dāng)導(dǎo)流板的寬度為50 mm的時候，電池散熱面的最高溫度降為328.41 K(55.41 ℃)，平均溫度降為301.98 K(28.98 ℃)，總體而言滿足電池的工作條件。但是受限于電池模塊內(nèi)部空間大小，導(dǎo)流板不宜再增加。因為考慮到電池內(nèi)電池的物理安全，導(dǎo)流板過大，會導(dǎo)致導(dǎo)流板和電池接觸，一旦電池模塊受到外部撞擊，可能就會損壞內(nèi)部的電池。

2.2 導(dǎo)流板角度的影響

在原來的參數(shù)不變的基礎(chǔ)上， 選擇尺寸為40 mm的導(dǎo)流板，探究導(dǎo)流板角度對于流場和散熱面溫度場的影響。導(dǎo)流板的角度α 分別設(shè)置為90°、75°、60°、45°、30°，導(dǎo)流板的角度設(shè)置如圖10 所示。當(dāng)導(dǎo)流板與電池模塊壁面之間的角度過小時，可以粗略的認為未增加導(dǎo)流板的情況，故不再對30°以下的導(dǎo)流板的影響做分析。

圖10 導(dǎo)流板的角度布置

通過仿真計算得到的電池組的最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板布置角度之間的關(guān)系曲線圖，如圖11和表3所示。

圖11 最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板布置角度關(guān)系

表3 最高溫度和平均溫度與導(dǎo)流板布置角度關(guān)系

通過圖11 可以看出隨著導(dǎo)流板角度的增減，電池散熱面的最高溫度和平均溫度也是呈現(xiàn)下降的趨勢，因此此類電池模塊在設(shè)置導(dǎo)流板的時候應(yīng)該以垂直于電池模塊壁面的形式來布置導(dǎo)流板，這樣更有利于電池的散熱。

3 總 結(jié)

本文以某型集裝箱儲能系統(tǒng)電池單元模塊為研究對象，基于ICEM、Fluent 軟件對其熱性能特性進行分析及優(yōu)化。得出如下結(jié)論。

（1）隨著導(dǎo)流板寬度的增加，電池散熱面的散熱效果越好，但是受限于電池模塊內(nèi)部剩余空間的大小，導(dǎo)流板的寬度不能過大，避免在受到外力撞擊作用下?lián)p壞電池結(jié)構(gòu)。

（2）隨著導(dǎo)流板角度的增加，電池的散熱效果也會變好，散熱效果最好的是將導(dǎo)流板與電池模塊表面垂直的情況。

（3）在風(fēng)冷系統(tǒng)中，導(dǎo)流板的合理布置可以有效地降低電池散熱面的最高溫度和平均溫度，根據(jù)仿真結(jié)果在導(dǎo)流板布置空間允許的情況下，盡可能處置與電池模塊壁面布置導(dǎo)流板，并且導(dǎo)流板的寬度也要盡可能的大。

文章來源：泊松比