大功率鋰離子動力電池組散熱特性數(shù)值模擬*

趙佳騰，饒中浩，劉新健，劉臣臻，霍宇濤，王慶超

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

大功率鋰離子動力電池組散熱特性數(shù)值模擬*

趙佳騰，饒中浩?，劉新健，劉臣臻，霍宇濤，王慶超

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

大功率鋰離子動力電池具有較高的功率密度和能量密度，在純電動汽車和混合動力汽車中具有很大的應(yīng)用價值。本文采用數(shù)值模擬的方法，建立了大功率非均勻產(chǎn)熱動力電池組三維模型，模擬分析了基于空氣單向流動冷卻和往復(fù)流動冷卻的LiFePO4動力電池組（4×6）的散熱性能。結(jié)果表明，對于大功率電池正負(fù)極產(chǎn)熱不均勻的情況，為了降低電池模塊的局部溫差，電池采用正負(fù)極交叉式排列組合是必要的；隨著入口風(fēng)速的增大，角度大小對散熱性能的影響增大；周期較長時的往復(fù)通風(fēng)方式不利于減小電池組局部溫差，甚至在長時間內(nèi)會增加局部溫差。

電池?zé)峁芾?；往?fù)；非均勻產(chǎn)熱；局部溫差

0 前 言

能源危機(jī)與環(huán)境污染問題日益凸顯，電動汽車因具有低能耗與零排放的雙重優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速[1]。電動汽車的整車性能主要受動力電池的影響：一方面電池模塊溫度過高，局部溫差過大均會降低電池循環(huán)壽命與動力性能；另一方面，電動汽車在高功率運(yùn)行時，放電電流增大，電池產(chǎn)生大量熱量會引發(fā)熱失控，造成安全事故。為了提升電池壽命，避免熱安全事故，必須設(shè)計(jì)合理的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，保證電池在合適的溫度下運(yùn)行，同時提升電池模塊的熱均勻性[2-7]。采用空氣冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)容易、制造成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、利于整車設(shè)計(jì)，因而仍是許多汽車生產(chǎn)商的實(shí)際選擇方法。近年來，Mahamud等[8]設(shè)計(jì)了一種基于空氣周期性往復(fù)流動的圓柱形 LiMn2O4電池組熱管理方法，并用二維數(shù)值模擬和集中參數(shù)模型法進(jìn)行研究。Park[9]設(shè)計(jì)了基于空氣冷卻方形電池組的流動通道，并采用熱阻分析模型與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對比研究了幾種方案的可行性。Giuliano[10]等設(shè)計(jì)制造了基于泡沫金屬作為熱交換板的空氣冷卻方形鋰鈦電池?zé)峁芾砟Ｐ?，用?shí)驗(yàn)的手段研究了在一定范圍放電電流下兩種空氣流量時的散熱性能。為了研究大功率動力電池組散熱性能，本文采用數(shù)值模擬的方法，建立了大功率非均勻產(chǎn)熱動力電池組散熱三維模型，模擬分析了基于空氣單向流動冷卻和往復(fù)流動冷卻的LiFePO4動力電池組（4×6）的散熱性能。

1 數(shù)值模型介紹

基于空氣冷卻的大功率動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖1所示，電池模塊內(nèi)含24個單體電池，單體電池采用42110型磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池，標(biāo)稱容量為10 A·h。圖1c和1d分別表示模型的電池模塊和網(wǎng)格劃分結(jié)果。電池模塊電壓為38 V（12S×2P：S，串聯(lián)；P，并聯(lián)），容量為20 A·h。模擬分為三個部分，首先是單體電池產(chǎn)熱特性分析和電池正負(fù)極交叉排列的影響，其次是不同入口流速和角度時的強(qiáng)迫對流冷卻下電池組的散熱性能，最后研究空氣入口和出口交替變換時電池組散熱性能。其中重要的模擬參數(shù)分別為：環(huán)境溫度298.15 K，電池單體的比熱容1 100 J·kg-1·K-1，為了更加符合實(shí)際，電池單體的徑向?qū)嵯禂?shù)取0.8 W·m-1·K-1，軸向和切向?qū)嵯禂?shù)取27 W·m-1·K-1，外殼與周圍環(huán)境的對流換熱系數(shù)5 W·m-2·K-1。在對單體電池模型進(jìn)行傳熱分析之前，對模型進(jìn)行了6種不同數(shù)量（11 100、39 900、159 600、216 125、356 100、748 125）的網(wǎng)格劃分，分別計(jì)算總表面熱流量和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，從圖2可以看出，網(wǎng)格數(shù)量為216 125和359 100時，計(jì)算結(jié)果相差很小，可以認(rèn)為得到網(wǎng)格獨(dú)立解，對電池組也進(jìn)行了類似的網(wǎng)格獨(dú)立解分析。本文也對步長無關(guān)解進(jìn)行了分析，選定步長為3 s。

圖1 電池排列方式與電池組網(wǎng)格劃分Fig. 1 Battery arrangements and grid

圖2 網(wǎng)格無關(guān)解結(jié)果Fig. 2 Results of cell numbers independence

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 單體電池產(chǎn)熱特性和正負(fù)極排列方式的影響

在之前的實(shí)驗(yàn)測定中，單體電池5 C放電時，正負(fù)極溫差最高達(dá)到 12℃左右，電池表面最高溫度達(dá)到89.79℃（362.94 K），其中超過50℃的時間為620 s[2]。圖3中黑色的曲線反映了電池單體5 C放電時，實(shí)驗(yàn)測試的正極、中部和負(fù)極表面的溫度隨時間變化的情況。為了研究正負(fù)極溫差對電池模塊最高溫度和局部溫差的影響，本文借助于Fluent中的UDF功能，編寫符合電池單體產(chǎn)熱規(guī)律的用戶自定義函數(shù)，擬合結(jié)果與實(shí)際符合較好，如圖 3中紅色的曲線所示。擬合后的熱源經(jīng)過UDF編譯后作為電池組中每一個單體的熱源。接下來模擬了圖1b（正負(fù)極單排，簡稱same）和圖1c（正負(fù)極叉排，簡稱 cross）兩種情況下電池組5 C放電時的產(chǎn)熱特性。圖4反映了入口風(fēng)速（v）為 2 m/s時兩種排列方式電池組的最高溫度和局部溫差。從圖4可知，在第840 s時，叉排和單排電池組的最高溫度分別為336.47 K和337.07 K，局部溫差分別為31.74 K和32.32 K，可見叉排的最高溫度和局部溫差均比單排時低0.6 K左右。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)檎?fù)極單排時電池組正極平均溫度大于負(fù)極，且不同行之間正極的溫度梯度小于正負(fù)極叉排時不同行之間的情況，因而電池與流動空氣的熱交換量低于叉排時，因此，對于大功率電池正負(fù)極產(chǎn)熱不均勻的情況，為了降低電池模塊部位局部溫度，電池采用正負(fù)極交叉式排列組合是必要的。在接下來的研究中，電池均采用正負(fù)極交叉式排列組合。

圖3 實(shí)驗(yàn)與擬合結(jié)果Fig. 3 Results of experiment and fitting

圖4 正負(fù)極單排與交叉排列時的溫度變化Fig. 4 Maximum temperature response of battery pack during two different arrangements

2.2 入口風(fēng)速大小和角度對電池組最高溫度和局部溫差的影響

在空氣強(qiáng)迫對流冷卻狀態(tài)下，選定電池模塊內(nèi)部各電池單體均采用5 C（50 A）倍率恒流放電，入口風(fēng)速分別選定0.2 m/s、0.5 m/s、0.8 m/s、1 m/s和2 m/s。圖5反映了不同入口風(fēng)速時電池模塊最高溫度（圖5a）和局部溫差（圖5b）隨時間的變化情況?？傮w來看，兩者均隨時間增加而上升，但在前300 s，不同風(fēng)速下的最高溫度相差很小，之后差別逐漸增加；在前100 s，不同風(fēng)速下的局部溫差相差很小，之后差別逐漸增加；630 s之后，風(fēng)速為2 m/s時的局部溫差開始小于風(fēng)速為 1 m/s時的局部溫差，放電結(jié)束時，風(fēng)速為2 m/s時的局部溫差甚至小于風(fēng)速為0.8 m/s時的局部溫差。當(dāng)v=0.2 m/s放電結(jié)束時，電池組的最高溫度和局部溫差分別為344.09 K和24.98 K；隨著風(fēng)速的增加，當(dāng)v=0.8 m/s放電結(jié)束時，電池組的最高溫度和局部溫差分別為341.73 K和32.04 K；當(dāng)v=1 m/s放電結(jié)束時，電池組的最高溫度和局部溫差分別為 340.86 K 和 32.95 K；當(dāng)v=2 m/s放電結(jié)束時，電池組的最高溫度和局部溫差分別為336.47 K和31.74 K。不難看出，隨著風(fēng)速增加，電池組最高溫度逐漸降低，局部溫差呈現(xiàn)先增加然后降低趨勢。圖6是v=0.5 m/s時電池組5 C放電結(jié)束時的溫度分布云圖，可見遠(yuǎn)離入口處的溫度相對較高，電池正極部分的溫度明顯高于負(fù)極，比較符合實(shí)際情況。

圖5 不同入口風(fēng)速時電池模塊溫度變化Fig. 5 Maximum temperature response of battery pack during different inlet velocities

圖6 風(fēng)速為0.5 m/s時溫度分布云圖Fig. 6 Temperature contour of battery pack when inlet velocity is 0.5 m/s

入口角度是影響電池模塊溫度的重要因素之一，在模擬中，設(shè)定入口角度和出口角度大小一致。接下來研究兩種入口角度（10°和15°）、三種入口風(fēng)速（0.5 m/s、1 m/s和2 m/s）下電池組的溫度分布情況。從圖7可以得知，v=0.5 m/s放電結(jié)束時，α=15°比α=10°的最高溫度低0.97 K，局部溫差幾乎相等；v=1 m/s放電結(jié)束時，α=15°比α=10°的最高溫度和局部溫差分別低2.17 K和1.46 K；v=2 m/s放電結(jié)束時，α=15°比α=10°的最高溫度和局部溫差分別低3.33 K和2.24 K。隨著入口風(fēng)速的增大，角度大小對散熱性能的影響增大。因?yàn)楫?dāng)風(fēng)速不變、角度增加時，空氣流量增加，單位體積空氣吸收熱量減少，空氣溫度下降，電池與空氣之間的溫差增大，散熱能力增強(qiáng)。風(fēng)速較小時，對流換熱系數(shù)較小，空氣的吸熱量少導(dǎo)致溫升小，增大入口角度后，空氣流量增加，空氣溫升進(jìn)一步減小不明顯，總散熱量變化不大，因而最高溫度和局部溫差變化不明顯；相反，風(fēng)速較大時，對流換熱系數(shù)較大，空氣的吸熱量多導(dǎo)致溫升大，增大入口角度后，空氣流量增加，空氣溫升減小程度明顯，進(jìn)一步增加傳熱量。為了提升散熱效率和節(jié)約空間，需要選擇合理的入口角度和風(fēng)速。

圖7 不同入口角度和風(fēng)速時電模塊組溫度變化Fig. 7 Maximum temperature response of battery pack during different entrance angles and inlet velocities

2.3 往復(fù)通風(fēng)時的冷卻效果

為了減小電池組的溫差，本文在前面基礎(chǔ)上嘗試周期性地交換空氣入口和出口，風(fēng)速選定2 m/s，半周期為210 s，模擬的過程中監(jiān)測6個特殊電池的最高溫度，以及整個電池組的最高溫度和局部溫差。圖8a顯示了6個電池最高溫度隨時間的變化情況，其中17號電池的最高溫度波動比較明顯，說明往復(fù)通風(fēng)時，通過8號和17號電池周圍的空氣流量和速度較大，因而換熱系數(shù)較大。在第一個半周期內(nèi)，6個電池溫升趨勢相同，因?yàn)殡姵販厣^低，進(jìn)而電池與空氣溫差較低，各個電池單體的強(qiáng)制對流換熱量幾乎相同；在第二個半周期，流動方向相反，17號電池與空氣的換熱系數(shù)高，溫升較其它幾個電池緩慢；進(jìn)入第三個半周期，空氣對17號電池的冷卻效果減弱，該電池溫升速度加快；進(jìn)入第四個半周期，空氣對17號電池的冷卻效果又增強(qiáng)，該電池最高溫度呈下降趨勢。往復(fù)通風(fēng)對其它5個電池的最高溫度影響不明顯。圖8b表示風(fēng)速為2 m/s，半周期為210 s往復(fù)通風(fēng)時，整個電池組最高溫度和局部溫差隨時間變化情況，其中藍(lán)色線和紅色線分別表示風(fēng)速為2 m/s單向通風(fēng)和往復(fù)通風(fēng)時的局部溫差曲線。隨著入口出口交替變換，局部溫差曲線在單向通風(fēng)時的局部溫差曲線附近隨半周期出現(xiàn)波動趨勢，總體上是隨時間而增大，局部溫差超過單向通風(fēng)時的局部溫差的時間超過300 s，并且最終局部溫差上升3 K左右，這說明周期較大時的往復(fù)通風(fēng)方式不利于減小電池組局部溫差，甚至增加局部溫差。

圖8 往復(fù)通風(fēng)時溫度變化情況Fig. 8 Temperature response of battery pack during reciprocating ventilation

3 結(jié) 論

本文建立了大功率非均勻產(chǎn)熱電動汽車動力電池組的 3D散熱模型，對系統(tǒng)的傳熱特性進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下：

（1）對于大功率電池正負(fù)極產(chǎn)熱不均勻的情況，為了降低電池模塊的局部溫差，電池采用正負(fù)極交叉式排列組合是必要的。

（2）隨著風(fēng)速增加，電池組最高溫度逐漸降低，局部溫差呈現(xiàn)先增加然后降低趨勢，這與之前工作中[11]的二維模擬符合得很好。

（3）隨著入口風(fēng)速的增大，角度大小對散熱性能的影響增大，為了提升散熱效率和節(jié)約空間，需要選擇合理的入口角度和風(fēng)速。

（4）周期較大（比如周期為總放電時間的一半）時的往復(fù)通風(fēng)方式不利于減小電池組的局部溫差，甚至在長時間內(nèi)增加局部溫差。

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[11] 趙佳騰, 饒中浩, 劉新健, 等. 基于空氣冷卻的動力電池組散熱特性研究[C]//高等學(xué)校工程熱物理第二十屆全國學(xué)術(shù)會議, 青島, 2014.

Numerical Simulation Investigation on the Heat Dissipation Performance of High Power Li-on Battery Pack

ZHAO Jia-teng, RAO Zhong-hao, LIU Xin-jian, LIU Chen-zhen, HUO Yu-tao, WANG Qing-chao
(School of Electric Power Engineering, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116, China)

Lithium ion battery has broad application prospect in EVs (Electric Vehicles) and HEVs (Hybrid Electric Vehicles) because of its high energy density and power density. The heat dissipation performance of high power LiFePO4battery pack (4×6) based on unidirectional/reciprocating air flowing was investigated through 3D numerical simulation methods. The results showed that when the heat generation between the anode and the cathode was inhomogeneous, it was necessary to arrange anodes and cathodes crosswise in order to reduce local temperature difference of the battery pack. With the increase of entrance air speed, the effect of angle size on the heat dissipation performance of battery pack enlarged. When the period was long, reciprocating ventilation was not conducive to reducing the local temperature difference of the battery pack, even increased the local temperature difference to the contrary for a long time.

battery thermal management; reciprocating flow; uneven heat production; local temperature difference

TK0；TM912

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.06.010

2095-560X（2014）06-0471-05

趙佳騰（1990-），男，碩士研究生，主要從事新能源汽車動力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

饒中浩（1985-），男，博士、副教授，中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院工程熱物理研究所常務(wù)副所長，2013年入選中國礦業(yè)大學(xué)第六批青年教師“啟航計(jì)劃”培養(yǎng)對象，先后獲得吳仲華優(yōu)秀學(xué)生獎，教育部博士研究生學(xué)術(shù)新人獎以及廣東省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，主要從事動力電池儲能、相變儲能過程中的多尺度傳熱傳質(zhì)問題研究。

劉新?。?994-），男，本科生，主要從事新能源汽車動力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

劉臣臻（1989-），男，博士研究生，主要從事相變儲能材料與動力電池?zé)峁芾矸矫娴难芯抗ぷ鳌?/p>

霍宇濤（1992-），男，碩士研究生，主要從事新能源汽車動力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

王慶超（1989-），男，碩士研究生，主要從事新能源汽車動力電池?zé)峁芾硌芯俊?/p>

2014-09-18

2014-10-08

中國礦業(yè)大學(xué)2014年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（201432）；電動車輛國家工程實(shí)驗(yàn)室開放基金（NELEV2014）

? 通信作者：饒中浩，E-mail：raozhonghao@cumt.edu.cn