在當今眾多種類的電池中，鋰離子電池作為電池的代表之一，因具有體積小、能量密度高、使用壽命較長、自放電率較低及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，而被廣泛使用。但鋰離子電池產(chǎn)熱較多，電池包內(nèi)易形成熱量累積導(dǎo)致電池各單元的性能和壽命受損，甚至發(fā)生熱失控[1]。為防止這些情況的發(fā)生，需要對電池包進行散熱以保證電池工作在正常溫度范圍內(nèi)。散熱系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)可分為：氣體冷卻、液體冷卻及相變材料冷卻。其中氣體冷卻相對于其他冷卻方式，成本相對低廉，應(yīng)用范圍更廣。本研究所建立的仿真模型以氣體做冷卻介質(zhì)，考察結(jié)構(gòu)內(nèi)冷卻風(fēng)道串行、并行、串并結(jié)合條件下的冷卻效果。

01  電池生熱機理

已有眾多學(xué)者對電池整體結(jié)構(gòu)與散熱效能進行過研究，Park等[2]對串行通風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括電池個體間距、排列方式進行研究，認為“電池扁平式排列耗能最小”。Mahamud等[3]設(shè)計循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，避免了進出口氣體溫度存在較大溫差問題。常國鋒等[4]研究了進風(fēng)口角度對電池散熱的影響。Liu等[5]建立壓力損失方程，提出并行結(jié)構(gòu)的計算方式，并研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)、電池個體間距對散熱效果的影響。

仿真模型以圓柱形電池為基本單元，電池組是多個單體串并聯(lián)組成。一個大型電池包，包含電池單體的數(shù)量較多，自身體積較大。由于在使用時總體發(fā)熱功率較大，傳熱距離過長，容易導(dǎo)致熱量在有限空間內(nèi)累積，產(chǎn)生的熱量無法及時散失，電池溫度顯著升高，如果熱量產(chǎn)生速率超過散熱速率，則有熱失控的危險[6]。

熱量產(chǎn)生和耗散率之間的平衡見圖1[7]。通常認為，T0為電池溫度穩(wěn)態(tài)平衡點，T1為溫度非穩(wěn)態(tài)平衡點，溫度T在T1以下，則散熱強度強于生熱強度，如果持續(xù)這種狀態(tài)，則溫度最終會降至平衡點T0；如果溫度T在T1以上生熱強度強于散熱強度，則溫度最終會不斷升高，電池也將面臨熱失控，最終達到著火點T2，故稱T1為熱失控的起點。鋰離子電池的正常工作溫度應(yīng)在50 ℃以下，Todd M. Bandhauer等[8]驗證了當電池溫度超過50 ℃時，電池可恢復(fù)的容量就會減少。另外考慮到電池包內(nèi)若干電池的放電一致性，單體電池溫度差不應(yīng)在6 ℃以上[9]。

鋰離子電池放電過程中主要產(chǎn)生四部分熱量，如式(1)所示：

式中：Qr為反應(yīng)熱；Qp為極化熱；Qs為分解熱；Qj為焦耳熱。但在實際電池工作過程中，由于分解熱在熱量中所占比重較低，可將Qs忽略不計。極化熱和焦耳熱可采用等效電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量進行替代，故可將電池反應(yīng)產(chǎn)熱量公式簡化為：

式中：R為電池內(nèi)阻，R=Rz+Rp(其中Rz為電池本身的歐姆電阻，Rp為極化反應(yīng)內(nèi)阻)；I為電池充放電時電流的大?。籺為電池充放電時間。Bernadi[10]假設(shè)電池體內(nèi)產(chǎn)熱量均勻分布，并建立一種經(jīng)典的電池生熱模型。

式中：q為電池產(chǎn)熱量；Vb為電池的體積；I為充電電流，充電為正，放電為負；E為電池單體電壓；E0為電池單體開路電壓；T為溫度；dE0/dT是溫度系數(shù)；(E－E0)為焦耳熱部分；為可逆反應(yīng)熱部分。根據(jù)上述公式及電池組熱特性的參數(shù)，即可估算出不同放電倍率下電池的產(chǎn)熱率。

單體電池及電池包的熱活動是影響其性能的關(guān)鍵部分，高倍率放電情況已不容忽視，特別是用電設(shè)備所使用的電池包一般在密閉情況下工作，缺少高效的外部散熱方式，存在散熱等諸多問題，故本文以圓柱鋰離子電池作為研究對象，基于ANSYS FLUENT仿真平臺，建立8串5并的電池包三維散熱模型，研究其熱特性及換熱條件下的溫度分布情況。

02  散熱過程仿真

2.1 創(chuàng)建模型

模型擬用圓柱形鋰離子電池，給定的單體電池參數(shù)見表1。

為提高模型收斂性和參考性，設(shè)定的理想條件如下：

(1)電池內(nèi)部材料均無差別，熱物理參數(shù)不隨溫度和荷電狀態(tài)的改變而改變；

(2)忽略微量產(chǎn)生的分解熱、輻射熱的影響；

(3)電池單體發(fā)熱均勻且放電倍率設(shè)為恒定值，電池假設(shè)為穩(wěn)定的熱源體；

(4)電池模型的放電溫度比充電溫度高，所以在散熱仿真時只考慮放電過程；

(5)將空氣的物理參數(shù)設(shè)為不隨溫度而變化，密度為1.225 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.024 2 W/(m·K)，比熱容為1.006 43kJ/(kg·K)；

(6)圓角，安裝孔，螺紋孔等微小影響不予考慮。

電池包的標稱容量為15 Ah，內(nèi)阻400 mΩ，標稱電壓12.8 V，放電電流為15 A。鋰離子電池工作溫度范圍在充電時為 0~55 ℃，放電時為－10~60 ℃。

模型由40個單體電池組成8串5并的電池包，各個電池間距2 mm，風(fēng)道總長度為373 mm，寬度為156.5 mm，厚度為3 mm，進風(fēng)口尺寸為45.6 mm×150.5 mm，出風(fēng)口尺寸為35 mm×130.5 mm，整個電池組工作在半密閉環(huán)境中。仿真研究假設(shè)各個電池產(chǎn)熱速率相同。風(fēng)道整體結(jié)構(gòu)見圖2。

2.2網(wǎng)格劃分

模型在建模仿真前需要進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，采用四面體網(wǎng)格，該網(wǎng)格對不規(guī)則物體進行劃分后有利于殘差收斂。圖3為模型中部的縱向網(wǎng)格截面圖。由圖可見模型均被四面體單元網(wǎng)格劃分。出風(fēng)口位置的空氣域的網(wǎng)格劃分較為密集，有利于保證計算精度。網(wǎng)格劃分的總單元數(shù)量為2 409 714，節(jié)點數(shù)為584 905。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

進風(fēng)口傾角的改變可以不同程度上改變流場均勻性，但在氣體的進風(fēng)口側(cè)，特別是上層電池的進風(fēng)口側(cè)，其周圍氣體流速相對較低，這是由于氣體進風(fēng)口側(cè)空氣靜壓較大，氣體在垂直方向上壓差較小造成的。所以，考慮增大進風(fēng)口傾角進而增加進風(fēng)口側(cè)壓差來增加氣體流量，但進風(fēng)口傾角的不同關(guān)系到風(fēng)道體積的差異。為探究進風(fēng)口角度對電池散熱的影響，設(shè)置進風(fēng)口與水平夾角4°～14°，逐一進行仿真。主要取4°，8°，12°三個模型表現(xiàn)進風(fēng)口的角度變化趨勢，見圖4。

11組數(shù)據(jù)分別采集自電池包中工作在相同倍率，相同風(fēng)速下的電池單體的最高和最低溫度，見圖5。從圖中可以看出電池溫度隨進風(fēng)口角度的增大而減小。在4°~14°進風(fēng)口角度增大時，每增加1°風(fēng)道體積增大約7 791.054 mm3。隨風(fēng)道體積的增大，風(fēng)道占用的空間及材料消耗越大。

表2中，進風(fēng)口傾角在9°～10°時電池單體最高溫度減少2.8 K，10°與11°的差值為0.7 K，在角度繼續(xù)增大后溫度變化不明顯，且均小于1 K?；趯︼L(fēng)道體積的考慮，大于10°的進風(fēng)角不宜選用，故選擇進風(fēng)口10°為仿真模型的進風(fēng)口傾角。

在風(fēng)道設(shè)計中為進一步增加風(fēng)道的散熱能力，增加氣體與電池間的換熱速率，減小隨氣體進入風(fēng)道深度帶來的氣體溫度升高的影響，對風(fēng)道兩側(cè)添加輔助散熱孔組，增強風(fēng)道后端及兩側(cè)邊緣電池的換熱效果。其尺寸為40 mm×5 mm，每側(cè)設(shè)置9個散熱孔，并對左側(cè)、右側(cè)及雙側(cè)散熱孔組開閉共四種情況進行仿真對比。圖6中，圖中散熱孔著重加黑標識，從左至右依次為左側(cè)孔組打開，右側(cè)孔組打開，雙側(cè)孔組關(guān)閉，雙側(cè)孔組打開的三維結(jié)構(gòu)簡圖和對應(yīng)的流場速度云圖。出風(fēng)口速度最大的是雙側(cè)孔組打開時，速度為8 m/s，比雙側(cè)孔組關(guān)閉時增加了1.6 m/s，增加了氣體在風(fēng)道內(nèi)的流速。

圖7中，雙側(cè)散熱孔組關(guān)閉時，電池包內(nèi)單體最高溫度為309.2 K，最低溫度為304.6 K；左側(cè)散熱孔組打開，電池包內(nèi)單體最高溫度為306.4 K，最低溫度為299.6 K；右側(cè)散熱孔組打開，單體最高溫度為306.2 K，最低溫度為299.3 K，左、右側(cè)散熱孔組溫度差異不明顯，但對風(fēng)道散熱能力有一定提高；雙側(cè)散熱孔組打開時，電池包內(nèi)單體最高溫度為303 K，最低溫度為297.2 K，提高了風(fēng)道的散熱能力。由仿真結(jié)果可以得出：在風(fēng)道中增加輔助散熱孔組，可以增強風(fēng)道散熱能力。

由風(fēng)道結(jié)構(gòu)可知，氣體從進風(fēng)口進入風(fēng)道時，風(fēng)道自身存在一定角度，導(dǎo)致進入風(fēng)道的氣體體積被壓縮，近出風(fēng)口處氣體流速快，換熱速率高，近進風(fēng)口處氣體流速慢，換熱速率低。為改善氣體體積壓縮后造成風(fēng)道內(nèi)流速差異較大，氣體和電池表面換熱不均的情況，因此采用添加氣體引流板的方式。針對該模型設(shè)置了去除引流板，后置引流板和前置引流板三組仿真。圖8(a)中，在去除引流板時，電池單體最高溫度為306.2 K，最低溫度為297.2 K，最大溫差為9 K；后置引流板見圖8(b)，引流板在圖中已著重加黑標識，仿真后得到電池單體最高溫度為307.5 K，最低溫度為299.5 K，最大溫差為8 K；前置引流板見圖8(c)，仿真后得到電池單體最高溫度為303 K，最低溫度為297.1 K，最大溫差為5.9 K。由數(shù)據(jù)可知，添加氣體引流板對電池溫度均勻性有一定改善，前置氣體引流板相對于后置氣體引流板更有助于氣體在風(fēng)道內(nèi)的分流，減小流速差異進而減小換熱差異。

03 仿真結(jié)果分析

電池在處于流體散熱狀態(tài)下，不僅有電池內(nèi)部導(dǎo)熱的過程，還有電池表面與外部空氣對流換熱的過程。因此該電池模型屬于流固耦合傳熱模型。電池模組在雷諾數(shù)低于2 300時的流體環(huán)境下?lián)Q熱，應(yīng)選擇層流模型；電池模組在雷諾數(shù)高于4 000時的強制對流環(huán)境下?lián)Q熱，應(yīng)選擇標準k-ε的湍流模型。標準k-ε模型的湍流動能k和耗散率ε方程如下：

式中：μt為湍動粘度；k為湍動能；ε為耗散率；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項；Gb為浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生項；YM為可壓縮湍動能脈動膨脹對總的耗散率的影響。

電池表面溫度合理并滿足工作溫度需求是衡量熱設(shè)計成功的因素之一。仿真計算可以獲得在電池工作時電池溫度的變化過程與趨勢，可以模擬近似實際工況的溫度變化。給定入口處流體溫度為20 ℃，模擬電池工作在本文設(shè)計的風(fēng)道模型下，電池表面換熱系數(shù)202.4 W/(m2·K)，并分別設(shè)置為1 C、5 C、10 C倍率下放電，仿真計算后溫度場圖見圖9。電池在1 C倍率放電時，由于發(fā)熱量較小，進出口流體溫度對電池發(fā)熱影響不是很大。圖9(c)中，電池在5 C倍率放電時，電池最高溫度為303 K，最大溫差達到4.6 K，溫差保持相對穩(wěn)定，比1 C倍率放電時略高。電池在10 C倍率放電時，溫度分布見圖9(a)，該條件在實際工況下所能達到的持續(xù)時間較短，已是嚴重過載狀態(tài)，電池單體間溫度差小于10 K，最高達到314.5 K，達到了實際工況下的應(yīng)用要求。

設(shè)置電池包內(nèi)最高溫度電池為編號1的電池，在不同放電倍率下升溫至最高溫度時的數(shù)據(jù)見表3。最高溫度全部低于電池組要求的安全溫度，說明該風(fēng)道結(jié)構(gòu)在不同倍率下均能滿足電池組控溫要求。

串行風(fēng)道的通風(fēng)冷卻方式見圖10，內(nèi)部流體阻力偏大，對流換熱系數(shù)較小，電池單體之間溫差較大。并行風(fēng)道的通風(fēng)冷卻方式見圖11，并行風(fēng)道雖然在最大溫差上相較于串行風(fēng)道已有所降低，但會造成電池組局部溫度過高。經(jīng)分析可知，主要原因為強制對流的冷風(fēng)流經(jīng)數(shù)個電池單體表面時，氣體的流場強度不均，導(dǎo)致散熱不一致[11]。

本文設(shè)定尺寸為258 mm×162.5 mm×87 mm的長方體串行風(fēng)道進行仿真，風(fēng)道厚度，進、出風(fēng)口大小均與本文設(shè)計的風(fēng)道相同，其他外部條件設(shè)定也相同。由于設(shè)定的串行風(fēng)道采用較短的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，前排電池距離進風(fēng)口位置很近，所以風(fēng)道內(nèi)前排電池的冷卻溫度更低。但距離進風(fēng)口較遠位置的電池溫度過高，最大溫差達到16 K，見圖12。電池工作在此種情況下將直接影響電池包的壽命。與本文設(shè)計的風(fēng)道相比(見圖13)，最高溫度與串行風(fēng)道接近，電池單體間溫差縮小到9.8 K，在風(fēng)道外側(cè)增加的輔助散熱孔組，增強了電池包邊緣的自然對流的能力。     

由表4可見，在相同倍率下，并行風(fēng)道與本文設(shè)計的風(fēng)道的電池單體溫度差異較大，并行風(fēng)道最大溫差為7.85 K，而本文設(shè)計的風(fēng)道不但節(jié)省了材料成本，最大溫差同樣也縮小到5.9 K，并且具有更低的電池工作溫度。本文設(shè)計風(fēng)道，具備串行風(fēng)道出風(fēng)口節(jié)約空間的優(yōu)點，結(jié)合并行風(fēng)道，又因采用氣體引流板及輔助散熱孔等措施，使電池包溫度場更均勻。

結(jié)合實際情況對電池風(fēng)道在外部高溫環(huán)境下進行仿真，進風(fēng)口的流體溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置為40 ℃，進風(fēng)口風(fēng)速設(shè)置為3 m/s，設(shè)置電池包在2 C倍率下放電，得到電池包的溫度范圍在313.6~314.4 K之間，基本滿足鋰離子電池工作時溫控要求。

風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動時的均勻性、穩(wěn)定性是風(fēng)道設(shè)計中相對重要的體現(xiàn)，圖中進風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s，環(huán)境溫度為20 ℃的風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動情況見圖14。氣體可以從電池間流動，由于進出口的面積不等，空氣分子間距離較遠，存在被壓縮的可能，所以圖中出風(fēng)口氣體速度較大，風(fēng)速為9 m/s，風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動順暢，無氣體回流現(xiàn)象。

04 結(jié)論

通過對改進的并行風(fēng)道模型仿真與計算，與電池組不同倍率放電生熱條件相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)采用并行風(fēng)道的進風(fēng)口模型、串行風(fēng)道的出風(fēng)口模型，可獲得串行風(fēng)道節(jié)約材料與并行風(fēng)道電池包溫度相對均勻的效果。在10 C倍率下，電池包內(nèi)單體最大溫差可控制在9.8 K以內(nèi)；增加輔助散熱孔后最高溫度可降低6.3 K；增加氣體引流板，可將最大溫差縮小到5.9 K。

本文標題：鋰離子電池組氣體散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

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