大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱研究

李彩紅，虞跨海，徐紅玉，宋書中，謝 秋

?

大容量鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)散熱研究

李彩紅1，虞跨海1，徐紅玉1，宋書中1，謝 秋2

（1. 河南科技大學(xué) 力學(xué)研究所，河南 洛陽(yáng) 471023；2. 中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

基于鋰離子動(dòng)力電池生熱模型仿真與實(shí)驗(yàn)的研究，對(duì)局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)開展了儲(chǔ)能系統(tǒng)電池模塊不同充放電倍率下的流熱數(shù)值仿真，實(shí)現(xiàn)了電池模塊儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同工況下熱行為仿真。研究結(jié)果表明：局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)能夠有效降低電池溫度，但是隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大，不利于單體之間的協(xié)調(diào)性和電池模塊性能的發(fā)揮，進(jìn)而影響其安全性和可靠性。

鋰離子電池；熱模型；儲(chǔ)能系統(tǒng)；散熱結(jié)構(gòu)；生熱率；溫度場(chǎng)

隨著環(huán)境問(wèn)題和能源危機(jī)的日益突出，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源得到飛速發(fā)展，而儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)新能源發(fā)展具有重大意義。鋰離子電池具有高密度、高儲(chǔ)能率、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1]。然而，鋰離子電池對(duì)工作溫度要求嚴(yán)苛，特別在高溫環(huán)境下，存在一定的熱失控安全隱患[2-3]。因此，開展鋰離子電池?zé)崮Ｐ脱芯浚瑴?zhǔn)確描述及預(yù)測(cè)電池的溫升情況，基于流熱數(shù)值仿真開展電池箱及電池模塊熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證鋰離子動(dòng)力電池安全可靠運(yùn)行，對(duì)于推動(dòng)新能源技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

目前，單體電池模型得到不斷發(fā)展，從集中質(zhì)量模型發(fā)展到三維模型[4-8]，從單體模型到模塊模型。集中質(zhì)量模型把電池作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，得到其平均溫度；一維模型研究電池在某一方向上溫度分布；二維模型研究電池某一截面上溫度分布；三維模型研究電池整體溫度分布，其對(duì)于大容量動(dòng)力電池的性能和壽命影響很大。虞跨海等[9]開展了電池材料熱物性參數(shù)研究及單體電池仿真，能夠較準(zhǔn)確描述單體電池?zé)嵝袨?。Park等[10]提出了一種風(fēng)道并行冷卻熱管理方案設(shè)計(jì)。Giuliano等[11]提出了基于開孔泡沫鋁冷板結(jié)構(gòu)的電池冷卻方案。然而，儲(chǔ)能電池技術(shù)對(duì)單體電池一致性提出了更嚴(yán)格的要求，保證各單體電池處于最佳工作狀態(tài)，發(fā)揮最佳性能。Yu等[12]提出了局部強(qiáng)化射流冷卻電池箱管理方案設(shè)計(jì)，僅討論了1C放電倍率下的冷卻效果。為了保證鋰離子動(dòng)力電池在高溫環(huán)境及高充放電倍率下的工作安全性，仍需開展相關(guān)研究。

本文以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，基于鋰離子電池三維模型數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)，開展了儲(chǔ)能系統(tǒng)電池模塊高放電倍率及高充放電倍率循環(huán)下的流熱數(shù)值仿真，實(shí)現(xiàn)了成組電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同工況和高充放電倍率下的循環(huán)熱行為研究，為儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理奠定基礎(chǔ)。

1 單體電池幾何模型

以中航鋰電（洛陽(yáng)）有限公司方形鋰電池為研究對(duì)象，如圖1電池由外殼、正負(fù)極柱（耳）、電芯、安全閥等構(gòu)成，電芯部分由數(shù)十單元甚至上百單元疊層構(gòu)成，每個(gè)單元由正極料層、正極片、隔膜、負(fù)極片和負(fù)極料疊層構(gòu)成，忽略螺栓孔、螺母、安全閥等部件。

圖1 電池幾何模型

2 單體電池?zé)崮Ｐ?/h2>

2.1 單體電池?zé)嵛镄詤?shù)

假定單體電池各材料均勻，密度一致，材料比熱容和導(dǎo)熱率不受環(huán)境溫度和荷電狀態(tài)(SOC)變化影響?；陔娦緦?shí)際結(jié)構(gòu)，將電芯采用等效模型代替，即作為均勻物質(zhì)的實(shí)體，對(duì)其比熱容、密度及導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均估算[9]。

2.2 電池?zé)崮Ｐ头匠?/p>

單體電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生熱量使其溫度升高，電池生熱過(guò)程與環(huán)境溫度、工作狀態(tài)及荷電狀態(tài)(SOC)有關(guān)。在直角坐標(biāo)系下，方形電池內(nèi)部溫度場(chǎng)：

式中：表示微元體的密度；p表示比熱容；表示熱導(dǎo)率（或?qū)嵯禂?shù)）；表示溫度；表示生熱率。該方程表示微元體在單位時(shí)間內(nèi)的能量守恒方程，等式方程左邊表示微元體在單位時(shí)間內(nèi)熱力學(xué)能的增量，等式右邊前三項(xiàng)表示微元體在三個(gè)坐標(biāo)軸方向的凈熱量，右邊第四項(xiàng)表示微元體內(nèi)熱源的生熱率。

單體電池生熱率主要來(lái)源于電芯生熱和電池極柱及連接板生熱，本文電芯生熱采用Bernardi生熱率方法計(jì)算[13]：

式中：表示電池電流；0表示開路電壓；表示工作電壓；為電池溫度；表示電池體積；(0–)表示產(chǎn)生的歐姆熱（或焦耳熱）；表示化學(xué)反應(yīng)引起熵變產(chǎn)生的熱量。式（2）又可表示為：

式中：r表示電池內(nèi)阻；與電池荷電狀態(tài)(SOC)、環(huán)境溫度等有關(guān)，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量，通過(guò)四階樣條擬合其分布曲線[9]。電壓溫度系數(shù)也隨電池荷電狀態(tài)(SOC)變化。

2.3 電池的邊界條件

單體電池初始條件：

(,,, 0) =0(4)

式中：0為環(huán)境溫度。

在自然環(huán)境中，需考慮對(duì)流換熱和輻射換熱：

式中：c，r分別表示對(duì)流散熱量和輻射散熱量；表示對(duì)流換熱系數(shù)；1表示電池表面溫度；表示輻射換熱系數(shù)。

2.4 單體電池仿真與實(shí)驗(yàn)分析

基于電池材料熱物性參數(shù)，針對(duì)單體電池開展1C放電倍率下的瞬態(tài)數(shù)值仿真，環(huán)境溫度為23.60℃，不銹鋼外殼，考慮重力影響，得到電池溫度分布如圖2(a)。電池最高溫度位于正極柱位置，電芯的最高溫度位于其中心位置，電池外殼頂部溫度最低，因其頂部無(wú)熱源且存在空氣導(dǎo)致其溫度顯示“凹”型分布，電芯疊層方向（電池厚度方向）由于熱導(dǎo)率較小出現(xiàn)熱積累現(xiàn)象。

圖2 1C放電倍率數(shù)值仿真、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及熱成像圖

同時(shí)開展了單體電池1C倍率下放電實(shí)驗(yàn)，首先將正負(fù)極柱分別接入充放電測(cè)試設(shè)備，設(shè)備另一端連接臺(tái)式機(jī)，用于設(shè)定充放電過(guò)程的控制條件，先采用恒流恒壓的方式給單體電池充電，而后將滿電狀態(tài)的單體電池放于室內(nèi)環(huán)境靜置2 h獲得恒定的初始溫度，最后對(duì)單體電池采用恒流放電方式進(jìn)行放電，直至放電電壓為2 V時(shí)作為其停止放電的控制條件，單體電池放電測(cè)試連接如圖2(b)。放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束時(shí)利用紅外熱成像儀掃描電池整體，得到其溫度云圖分布如圖2(c)。數(shù)值仿真結(jié)果最高溫度30.65℃，位于正極柱位置，電芯最高溫度29.96℃，位于中心位置，單體電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最高溫度29.60℃，數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，即所建單體電池模型精度較高，能夠較準(zhǔn)確描述單體電池的熱行為。但兩者顯示的溫度分布結(jié)果位置存在一些差異，仿真結(jié)果顯示電池本體最高溫度位于電池中心區(qū)域，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示最高溫度位于電芯頂部區(qū)域，是因?yàn)閿?shù)值仿真采用電芯均勻發(fā)熱的Bernardi生熱模型，且單體電池被計(jì)算流場(chǎng)所包圍，而電池在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，首先由于電化學(xué)反應(yīng)電子發(fā)生移動(dòng)產(chǎn)生電流，且電流密度在電池中分布的不均勻性產(chǎn)生不均勻的發(fā)熱造成的，其次由于實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)電池與地面接觸，會(huì)產(chǎn)生熱交換，從而使其溫度分布發(fā)生變化。

3 電池箱流熱數(shù)值仿真

儲(chǔ)能柜電池模塊由2列6排12塊某型單體電池構(gòu)成，儲(chǔ)能柜結(jié)構(gòu)包括通用風(fēng)道和局部強(qiáng)化射流風(fēng)道，通用風(fēng)道空氣經(jīng)導(dǎo)流板導(dǎo)流及分流，形成水平方向流場(chǎng)實(shí)施強(qiáng)迫風(fēng)冷；局部強(qiáng)化射流風(fēng)道位于箱體底部區(qū)域，經(jīng)錐形風(fēng)道加壓，從底部沿高度方向?qū)ο潴w中心區(qū)域單體電池實(shí)施強(qiáng)迫冷卻，較傳統(tǒng)箱體冷卻效果得到大幅提高[12]，且在低放電倍率下滿足安全性和可靠性需求，針對(duì)高放電倍率和高充放電倍率循環(huán)過(guò)程仍需開展進(jìn)一步研究。

單體電池的工作環(huán)境溫度為20~60℃，由于實(shí)際工況的復(fù)雜不確定性，處于工作狀態(tài)的各單體電池必然存在差距。若各單體差距加劇，影響電池模塊的性能和使用壽命，甚至引起安全隱患，故進(jìn)一步開展復(fù)雜工況儲(chǔ)能柜電池模塊的數(shù)值仿真具有重要意義。本文開展了儲(chǔ)能柜電池模塊高放電倍率(2C，3C)瞬態(tài)數(shù)值仿真，環(huán)境溫度20℃，風(fēng)扇流量0.15 m3/min，電池模塊溫度分布如圖3。由于電池模塊中心位置熱量無(wú)法及時(shí)散熱，存在熱積累現(xiàn)象，最高溫度位于中心位置電池正極柱，進(jìn)出風(fēng)口作用使模塊兩側(cè)單體電池溫度較低，基于局部強(qiáng)化射流風(fēng)道作用，電池模塊整體高溫分布靠近單體電池頂部，且隨著放電倍率增大，模塊整體溫度升高，各單體之間溫差增大。2C放電倍率單體電池最高溫度35.28℃，各單體之間最大溫差11.91℃；3C放電倍率最高溫度46.61℃，各單體之間最大溫差21.30℃。放電倍率的增大使各單體電池溫度升高，加劇電池模塊的溫度不一致性，易發(fā)生熱失控現(xiàn)象，影響電池模塊性能、使用壽命和安全性。

為了保證鋰離子動(dòng)力電池在不同工況下的安全性，本文開展了高充放電倍率循環(huán)過(guò)程的瞬態(tài)數(shù)值仿真，過(guò)程分為三個(gè)階段，即充電階段、靜置階段(30 min)、放電階段。環(huán)境溫度為20℃，風(fēng)扇流量為0.15 m3/min。2C充放電倍率下電池模塊溫度分布如圖4。充電階段結(jié)束，最高溫度33.92℃，位于中心位置單體電池極柱，進(jìn)風(fēng)口位置單體電池溫度最低，各單體之間最大溫差11.19℃；靜置階段結(jié)束，電池模塊整體溫度均下降，最高溫度24.94℃，位于中心位置電芯處，最低溫度21.07℃，各單體之間最大溫差3.87℃，電池模塊溫度得到控制，其溫度分布較均勻。如若延長(zhǎng)靜置時(shí)間，電池模塊運(yùn)行工況會(huì)得到更好的改善；放電階段結(jié)束，電池模塊最高溫度36.64℃，位于中心位置的極柱上，靠近風(fēng)扇位置單體電池溫度最低，各單體之間最大溫差12.90℃。各單體電池之間溫差的增大不利于各單體的協(xié)調(diào)性和電池模塊性能的充分發(fā)揮，進(jìn)而影響其使用壽命和安全性。

圖3 電池模塊不同放電倍率下溫度場(chǎng)

基于充放電循環(huán)過(guò)程溫度分布，最高溫度位于電池模塊中心位置，故選擇中心位置10#單體電池的正極柱和電芯作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4(a)所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在充放電循環(huán)過(guò)程瞬態(tài)溫度變化如圖5。在充電階段，極柱溫升比電芯溫升大；在靜置階段，由于通用風(fēng)道空氣經(jīng)導(dǎo)流板導(dǎo)流及分流，形成水平方向流場(chǎng)使極柱溫降較大，局部強(qiáng)化射流風(fēng)道使存在熱積累現(xiàn)象的中心位置單體電芯溫降相對(duì)較小；在放電階段，極柱和電芯溫度持續(xù)升高，且極柱溫升比電芯溫升變化大，尤其在放電末期，由于電池荷電狀態(tài)(SOC)的降低，內(nèi)阻快速增大引起生熱率增大，加速其溫升變化。

本文繼續(xù)開展3C倍率充放電循環(huán)過(guò)程瞬態(tài)數(shù)值仿真。充電階段結(jié)束后，最高溫度44.61℃，位于電池組中心位置的極柱，最低溫度24.45℃，各單體電池最大溫差20.16℃；靜置階段結(jié)束后，最高溫度29.75℃，位于中心位置極柱，電池模塊兩側(cè)單體最低溫度22.59℃，各單體電池最大溫差7.16℃；放電階段結(jié)束后，最高溫度48.21℃，最低溫度25.40℃，各單體電池最大溫差22.81℃。隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大，加劇各單體電池之間性能差距，從而影響電池模塊的壽命和可靠性，故可以進(jìn)一步開展儲(chǔ)能柜散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其冷卻效率，確保電池模塊內(nèi)部各單體電池之間溫度分布的均勻性，以達(dá)到其對(duì)單體電池的要求。

圖4 2C充放電循環(huán)過(guò)程溫度場(chǎng)

圖5 2C充放電循環(huán)過(guò)程監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)

4 結(jié)論

基于高精度鋰離子動(dòng)力電池生熱模型的仿真與實(shí)驗(yàn)，結(jié)合局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)，兼顧其安全性和可靠性需求，開展了儲(chǔ)能系統(tǒng)電池模塊高放電倍率和高充放電倍率循環(huán)過(guò)程的流熱數(shù)值仿真，得到以下結(jié)論：

（1）局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)能夠有效降低電池溫度，隨著放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大；

（2）驗(yàn)證了局部強(qiáng)化射流冷卻散熱系統(tǒng)在低充放電倍率循環(huán)下滿足其安全性和可靠性要求，隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間溫差增大，不利于單體之間的協(xié)調(diào)性和電池模塊性能的發(fā)揮，進(jìn)而影響儲(chǔ)能箱體的安全性和可靠性；

（3）基于局部強(qiáng)化射流冷卻的儲(chǔ)能箱體散熱結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)，繼續(xù)開展風(fēng)道、進(jìn)出風(fēng)口位置和尺寸設(shè)計(jì)，以提高其冷卻效果，保證電池模塊各單體電池之間溫度分布的均勻性，為實(shí)際工程熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

[1] 李新宏. 鋰離子電池在儲(chǔ)能上的應(yīng)用 [J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2012(9): 83-87.

[2] 王浩, 楊聚萍, 王莉等. 鋰離子電池的安全性問(wèn)題 [J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2012(9): 88-94.

[3] 方謀, 趙驍, 陳敬波, 等. 從波音787電池事故分析大型動(dòng)力電池組的安全性 [J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2014, 3(1): 42-46.

[4] BOTTE G G, JOHNSON B A, WHITE R E. Influence of some design variables on the thermal behavior of a lithium-ion cell [J]. J Electrochem Soc, 1999, 146(3): 12-18.

[5] HALLAJ S A, SELMAN J R. Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications [J]. J Power Sources, 2002, 110(2): 341-348.

[6] KHATEEB S A, AMIRUDDIN S, FARID M, et al. Thermal management of Li-ion battery with phase change material for electric scooters: experimental validation [J]. J Power Sources, 2005, 142: 345-353.

[7] VLAHINOS A, PESARAN A A. Energy efficient battery heating in cold climates [C]//Future Car Congress. Arlington, Virginia, USA: SAE International, 2002.

[8] KIM G H, PESARAN A, SPOTNITZ R. A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells [J]. J Power Sources, 2007, 170(2): 476-489.

[9] 虞跨海, 李長(zhǎng)浩, 程永周. 鋰離子儲(chǔ)能電池放電熱行為仿真與實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 電源技術(shù), 2016, 40(1): 63-66, 134.

[10] PARK H. A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles [J]. J Power Sources, 2013, 239: 30-36.

[11] GIULIANO M R, PRASAD A K, ADVANI S G. Experimental study of an air-cooled thermal management system for high capacity lithium-titanate batteries [J]. J Power Sources, 2012, 216: 345-352.

[12] YU K H, YANG X, CHEN Y Z, et al. Thermal analysis and two-directional air flow thermal management for lithium-ion battery pack [J]. J Power Sources, 2014, 270: 193-200.

[13] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems [J]. J Electrochem Soc, 1985, 132(1): 5-12.

（編輯：陳豐）

Heat dissipation study on large capacity lithium-ion battery energy storage system

LI Caihong1, YU Kuahai1, XU Hongyu1, SONG Shuzhong1, XIE Qiu2

(1. Institute of Mechanics, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan Province, China; 2. China Aviation Lithium-ion Battery Co., Ltd, Luoyang 471009, Henan Province, China)

Based on the lithium-ion power battery heat generation model of simulation and experiment, coupled flow and heat transfer numerical simulation of battery module energy storage system with two-directional air flow cooling was carried out under different charge-discharge rates. Simulation of thermal behavior of the battery module energy storage system under different operating conditions was realized. Result shows that two-directional air flow cooling system can effectively reduce the temperature of the battery. But with the increase of the charge-discharge rates, the temperature of the lithium-ion battery module rises and the temperature difference of individual cells increases. It is not beneficial for the coordination of individual cells and the performance of the battery module, and then the safety and reliability of lithium-ion battery system decreases.

lithium-ion battery; thermal model; energy storage system; cooling structure; heat generate rate; temperature distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.018

TM911

A

1001-2028（2016）11-0090-05

2016-09-09

虞跨海

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目資助（No. 152102210071）；河南省教育廳自然科學(xué)基金資助（No. 13A480267）

虞跨海（1982－），男，浙江義烏人，副教授，博士，研究方向?yàn)楹娇胀七M(jìn)系統(tǒng)、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化、鋰離子動(dòng)力電池?zé)峁芾恚珽-mail: yukuahai@163.com；

李彩紅（1979－），女，河北石家莊人，研究生，研究方向?yàn)闇囟葓?chǎng)分析，E-mail: licaihong201102@163.com。

2016-10-28 14:14:28

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.018.html