純電動(dòng)汽車鋰離子電池成組熱效應(yīng)分析?

嚴(yán)剛+李頂根+秦李偉+鄧原冰+竇汝振

摘要：基于采用COMSOL Multiphysics軟件建立鋰離子動(dòng)力電池?zé)犭婑詈夏Ｐ?，分析電池單體充放電過(guò)程的熱效應(yīng)。通過(guò)電池單體的平均產(chǎn)熱量計(jì)算，結(jié)合計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（ Computational Fluid Dynamics，CFD）CFD軟件分析電池包在空氣強(qiáng)制冷卻的條件下進(jìn)行充放電時(shí)的熱擴(kuò)散效應(yīng)。研究結(jié)果表明，電池包內(nèi)溫度場(chǎng)分布主要受限于空間結(jié)構(gòu)的布置，產(chǎn)生局部熱量集中；依據(jù)流場(chǎng)分布優(yōu)化電池模組的布置可以提高電池包內(nèi)電池溫度的一致性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)误w熱效應(yīng)；平均產(chǎn)熱量；強(qiáng)制風(fēng)冷；成組熱效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TM912.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

The Thermal Effect Analysis of Lithium-Ion Battery Packs in EV

Yan Gang1， Li Dinggen2， Qin Liwei1， Deng Yuanbing2， Dou Ruzhen3

（1. Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.，Hefei 230022， China；；

2. Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430064， China；

3. Tianjin Qingyuan Electric Vehicle Co.， Ltd，Tianjin， 300457， China）

Abstract： The thermal effect of lithium-ion battery in the charging discharging processes are analyzed by the coupled thermal electric model build by the software of COMSOL Multi-physics. Through calculating the average heat production and combining CFD software， the thermal diffusion effect in the charging discharging processes are studied with condition of air forced convective cooling. The results indicate that the distribution of temperature field in battery pack are mainly limited to the spatial distribution of batteries， and partial thermal concentration are also generated. Finally， the temperature consistency of batteries can be improved by optimizing the distribution of battery modules in the battery pack based on the consideration of flow field.

Key word： cell thermal effect；， the average heat production，； forced-air cooling；，pack thermal effect

1.前言

電動(dòng)汽車的是滿足未來(lái)更嚴(yán)苛排放法規(guī)和油耗法規(guī)的戰(zhàn)略性選擇，其動(dòng)力電池的安全問(wèn)題是制約這項(xiàng)技術(shù)工程應(yīng)用的主要瓶頸。鋰離子動(dòng)力電池因?yàn)楸旧砟芰棵芏雀?，在惡劣的使用條件下，容易引發(fā)電池?zé)崾Э?，從?造成火災(zāi)甚至爆炸[1]。鋰電池的成組結(jié)構(gòu)和冷卻流道設(shè)計(jì)的不合理，容易導(dǎo)致電池包內(nèi)溫差過(guò)大，電池使用的一致性發(fā)生變化，導(dǎo)致電池局部溫度過(guò)高而引發(fā)熱失控[2]。因此，本文旨在通過(guò)合理優(yōu)化強(qiáng)制風(fēng)冷的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而優(yōu)化冷卻空氣的流場(chǎng)、以及電池組的溫度場(chǎng)，提高單體電池運(yùn)行工況的一致性，降低熱失控發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

12. 某型軟包鋰電池電化學(xué)模型建立及網(wǎng)格劃分

選用某公司生產(chǎn)的某型軟包電池作為模擬和試實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該型號(hào)電池基本數(shù)據(jù)如下。

12.1軟包電池電化學(xué)模型建立

電池單體產(chǎn)熱由電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，單體電化學(xué)模型根據(jù)相關(guān)電極理論[3-6] 建立，菲克定律提出了電池內(nèi)部的正負(fù)極固相粒子擴(kuò)散而引起的鋰離子濃度變化的控制方程為：

。

（2-1）

式中： 為電解液鋰離子濃度，； 為電極插層粒子徑向坐標(biāo)。

描述電池固相電流密度與固相電勢(shì)梯度關(guān)系的控制方程為：

。

（2-2）

式中： 為一維坐標(biāo)模型的梯度算子，； 為電流密度，單位A/m2， 是指有效固相電導(dǎo)率，； ， 是指固相多孔電極的體積分?jǐn)?shù)，而 是指固相填充劑的體積分?jǐn)?shù)。

固相電流密度梯度與孔隙壁鋰離子流動(dòng)的聯(lián)系為：

。

（2-3）

式中： 為固相電流密度；， 為法拉第常數(shù) ；， 為相對(duì)表面積， ， 為電極插層離子的半徑。

電解質(zhì)液相電流密度梯度與孔隙壁鋰離子流動(dòng)控制方程為：

。

（2-4）

式中： 為液相電流密度， 單位A/m2。

Bulter-Volmer方程用來(lái)計(jì)算通量的大小和方向，建立粒子輸運(yùn)與局部電流之間的聯(lián)系：

（2-5）

式其中： 為表面過(guò)電勢(shì)。

在電化學(xué)過(guò)程中，電池產(chǎn)生的熱量 由可逆熱 和不可逆熱 兩方面構(gòu)成：

。

（2-6）

可逆熱源為 ：

。

（2-7）

式其中： 為電流局部密度，單位A/m2；， 為活性材料活性比表面積，單位m2；， 為電池平均溫度，單位K；， 為電池平衡電位對(duì)溫度導(dǎo)數(shù)。

不可逆熱為 ：

（2-8）

式其中： 為電流局部密度，單位A/m2；， 為活性材料活性比表面積，單位m2，； 為電池過(guò)電位。

電池能量守恒控制方程為：

（2-9）

式其中： 為電池密度，單位kg/m3；， 為電池比熱容，單位J/（kg·K）；， 為電池溫度，單位K；， 為電池導(dǎo)熱系數(shù)。

邊界條件為：

。

（2-10）

式其中： 為導(dǎo)熱率；， 為電池與環(huán)境換熱系數(shù)；， 為環(huán)境溫度，單位K。

12.2軟包電池單體熱效應(yīng)分析

為得到電池在正常工作范圍內(nèi)的產(chǎn)熱量，選取電池單體充放電循環(huán)進(jìn)行熱效應(yīng)分析，設(shè)定電池以1C（26 A）進(jìn)行兩個(gè)周期的充放電循環(huán)，每個(gè)周期為600 s，循環(huán)充放電電流函數(shù)如圖1所示，環(huán)境初始溫度為20 ℃，電池與環(huán)境之間的換熱系數(shù)為20 W/（m2·k）。

圖2為電池溫度、，電壓和，電流對(duì)時(shí)間的曲線圖。由圖2可知，電池第1一個(gè)充電過(guò)程升溫16 ℃，第1一個(gè)放電過(guò)程升溫6 ℃，電池充電過(guò)程中的升溫速率高于電池放電過(guò)程。由于因?yàn)闇囟仁怯绊戨姵爻浞烹娦阅艿闹匾蛩刂唬跏茧A段電池在較低的環(huán)境溫度下充電，電解液導(dǎo)電率低，鋰離子在活性材料中的擴(kuò)散速度相對(duì)較慢，內(nèi)阻大，歐姆熱較多，且電池初始溫度與環(huán)境溫度相差不大，散熱量也較小，因此充電初期電池升溫較快；隨著充電的進(jìn)行，電池溫度逐漸升高，鋰離子在電池內(nèi)活性材料的擴(kuò)散性增強(qiáng)，電池內(nèi)阻逐漸減小，使歐姆熱變小，電池總產(chǎn)熱量下降，電池升溫速率逐漸降低，最后呈現(xiàn)生熱速率與散熱速率達(dá)到平衡的趨勢(shì)。

Li J， Cheng Y， Ai L [7]等人的研究表明，，鋰離子在電解液中的擴(kuò)散速率與電解液活性相關(guān)，而電點(diǎn)解液的活性又與溫度電池的工作溫度關(guān)系最大。若電池長(zhǎng)時(shí)間在低溫環(huán)境下工作，電池的持續(xù)放電時(shí)間將下降，放電性能降低且恢復(fù)性很差，且電池容量也將迅速衰減。但隨著電池溫度的升高，電池內(nèi)部電解液物理活性變強(qiáng)，電化學(xué)反應(yīng)速率增大，鋰離子擴(kuò)散能力增強(qiáng)，內(nèi)阻相對(duì)較小，放電性能較好，電池進(jìn)入最佳工作溫度范圍，充放電容量有所增加。但是持續(xù)的高溫工作加速了電極和電解液的老化速率，因此使電池保持在一個(gè)較適宜的環(huán)境溫度下工作是保證電池工作性能的必要條件。

鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱主要由三部分構(gòu)成：電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱Qr，、鋰離子在各組成結(jié)構(gòu)材料內(nèi)傳遞受到的物理阻力所產(chǎn)生的歐姆內(nèi)阻熱Qj，、電極在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中引起的極化電阻和鋰離子運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的容差極化內(nèi)阻所產(chǎn)生的極化熱Qp[8] 。圖3為電池單體產(chǎn)熱量對(duì)時(shí)間曲線圖。由圖3可知，電池在進(jìn)入充電階段時(shí)開(kāi)始產(chǎn)熱，初始階段電池處于相對(duì)適宜的工作溫度充電，電池產(chǎn)熱量不大。隨著電池溫度升高，電池活性材料變活躍，電池內(nèi)部反應(yīng)急劇加快，電池產(chǎn)熱量急劇增大。當(dāng)電池進(jìn)入放電階段時(shí)，鋰離子向方向遷移，產(chǎn)熱機(jī)理發(fā)生變化，電池產(chǎn)熱量下降。隨著電池持續(xù)放電，電池溫度越來(lái)越高，放電階段產(chǎn)熱量急劇增大，在放電末期達(dá)到整個(gè)過(guò)程的最大值310 000 W/m3。對(duì)圖3進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到電池平均產(chǎn)熱量為189 260 W/m3。

23.電池模塊熱效應(yīng)分析

將電池單體進(jìn)行3并96串組合成電動(dòng)汽車電池包，這里取整個(gè)電池包的六分之一，3并16串進(jìn)行電池包冷卻模擬研究。

23.1電池組結(jié)構(gòu)模型建立與網(wǎng)格劃分

電池作為高溫?zé)嵩?，通過(guò)冷空氣將表面的多余熱量帶走，其整個(gè)傳遞過(guò)程在不考慮輻射傳熱的情況下，主要遵循導(dǎo)熱定律與對(duì)流定律[9]。圖4為簡(jiǎn)化電池組模型，其中綠色部分為電池組，藍(lán)色部分為冷卻空氣，左下角紫色為入口，右上角為出口，紅色為對(duì)稱面。圖5為網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)735 631個(gè)，邊界層設(shè)置及局部細(xì)化滿足電芯間隔要求。

23.2物理場(chǎng)設(shè)置

設(shè)定電池內(nèi)部材料及冷卻空氣的物性參數(shù)。電池內(nèi)部單體為生熱源，其密度約為2 173 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為1.21 W/（m·K），平均比熱容設(shè)定為895 J/（kg·K-1），通過(guò)對(duì)電池單體熱模擬得到電池平均生熱量189 260 W/m3，冷卻流體設(shè)置為空氣。計(jì)算模型選為能量守恒方程與湍流 方程。該方程是一種最為常用的工程上計(jì)算湍流流動(dòng)的基本模型，包括湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程 方程與耗散率方程 方程。邊界條件設(shè)定：入口處流為25 m/s，空氣溫度為298.15 K；出口類型為outlet-pressure出口壓力，表壓為0 Pa，溫度為298.15 K；壁面處可默認(rèn)為無(wú)滑移的邊界條件，其法向上壓力梯度為0，壁面無(wú)反射條件。

23.3仿真計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)仿真計(jì)算，得到內(nèi)部流體流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的三維圖像，這里選取Z=100 mm橫截面處對(duì)其溫度分布及速度分布進(jìn)行分析。由圖5可知，電池包內(nèi)最低溫度為305 K，最高溫度為313 K，最高溫度與最低溫度相差8 K，電池包內(nèi)溫差較大。電池單體表面最高溫度為313 K，最低溫度為310 K，溫差為3 K，屬于鋰離子電池包安全工作范圍內(nèi)。從各個(gè)模組之間的溫度差來(lái)看，處于3號(hào)位到8號(hào)位的電池其溫度分布較為均勻，整體散熱狀態(tài)較好。而位于1號(hào)位和2號(hào)位的電池其溫度明顯超過(guò)其它他電池，且其工作溫度接近電池安全工作溫度上限，主要原因?yàn)槲挥?號(hào)位和，2號(hào)位的兩塊電池部分處于流動(dòng)死角區(qū)域，散熱效果不佳，熱量無(wú)法帶出導(dǎo)致引起溫度升高。

由圖6可知，冷卻空氣由入口處流入后，其速度沿水平方向逐漸降低，由于電池包的空氣流道很寬，而電池間的通道縫隙非常狹窄，因此空氣在流道里流速很大，可將電池邊緣的熱量迅速帶走，但在冷卻介質(zhì)在電池之間的流動(dòng)效果不好，導(dǎo)致電池與電池交界處難以達(dá)到理想的散熱的效果，而靠近冷卻空氣入口另一側(cè)的冷卻空氣最少，此區(qū)域的氣流基本處于靜止?fàn)顟B(tài)（圖5和，圖6的紅色方框區(qū)域）。氣流從進(jìn)氣口流入，在無(wú)阻力情況下直接流入電池包底部，又再因流動(dòng)受阻，氣流穿過(guò)電池間的間隙流向電池另一側(cè)，而該區(qū)域由于另一側(cè)為進(jìn)氣口，壓差較小，所以進(jìn)氣口氣流通過(guò)電池間隙流入該區(qū)域的流量較少，流速已經(jīng)基本趨近于0，方框內(nèi)區(qū)域在該結(jié)構(gòu)內(nèi)屬于流動(dòng)死角，氣流基本處于靜止?fàn)顟B(tài)。圖6紅色方框區(qū)域內(nèi)的氣流基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，導(dǎo)致該區(qū)域基本沒(méi)有強(qiáng)制對(duì)流換熱，對(duì)應(yīng)圖5該區(qū)域的溫度也最高，這樣的流場(chǎng)死角勢(shì)必對(duì)電池組的散熱帶來(lái)不利的影響。

通過(guò)對(duì)比分析電池組內(nèi)部流場(chǎng)的速度分布與溫度分布的圖像可以對(duì)比出兩者之間存在的必然聯(lián)系。在空氣流動(dòng)速度較快的流場(chǎng)周圍，其電池溫度相對(duì)較低，散熱情況較好，而流動(dòng)速度較慢處，電池的熱量容易產(chǎn)生堆積，減低其散熱性能，造成溫度的增加。綜合分析，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其電池之間的狹窄的散熱通道對(duì)于風(fēng)機(jī)吹入的冷卻空氣起到了抽吸的作用，使得空氣流速迅速增加，達(dá)到散熱的目的。而散熱性能不理想的部分也正是由于空氣流動(dòng)受阻所造成，存在流場(chǎng)死角，因此，提高空氣的流動(dòng)速度是改進(jìn)電池組散熱性能的一種有效方法。

34.結(jié)論

電池包在高倍率（1C26 A）充放電循環(huán)中，產(chǎn)熱功率較大，但電池包冷卻系統(tǒng)仍能保證電池在電池的包允許溫差范圍內(nèi)工作，說(shuō)明這種結(jié)構(gòu)可以滿足電池包冷卻要求。但電池包因結(jié)構(gòu)問(wèn)題，仍然存在流場(chǎng)死角，使電池包出現(xiàn)溫度分布不均勻的問(wèn)題。而由結(jié)論可知得，電池包內(nèi)溫度分布和電池包內(nèi)流場(chǎng)速度分布具有高度一致性，所以可以進(jìn)一步考慮通過(guò)優(yōu)化電池包結(jié)構(gòu)，消除流場(chǎng)死角，改善流場(chǎng)流動(dòng)的方式提高電池包內(nèi)部溫度一致性。

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作者介紹：

責(zé)任作者照片：

嚴(yán)剛（1963年12月-），男，安徽巢湖人。，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠囇邪l(fā)與銷售。

Tel：0551-62259097

E-mail：qlw.xny.jszx@jac.com.cn

通信作者照片：

李頂根（1977-） 男（漢族），安徽桐城人。，副教授，主要研究方向?yàn)閺氖聞?dòng)力電池測(cè)控和、動(dòng)力機(jī)械電子控制技術(shù)研究。

Tel：027-87542418

E-mail：lidinggen@hust.edu.cn