動(dòng)力電池箱散熱特性仿真分析

邵艷濤，姜保軍，王 偉

Shao Yantao1，Jiang Baojun1，Wang Wei2

（1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2. 天津華泰億緯電源有限公司，天津 300301）

動(dòng)力電池箱散熱特性仿真分析

邵艷濤1，姜保軍1，王 偉2

Shao Yantao1，Jiang Baojun1，Wang Wei2

（1. 重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074；2. 天津華泰億緯電源有限公司，天津 300301）

針對(duì)工作中的電池箱在強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下因產(chǎn)熱散熱而引起的溫度分布不均問題，利用有限元分析軟件ANSYS/Fluent，研究電池箱進(jìn)風(fēng)口送風(fēng)風(fēng)量不同時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況，通過分析得到電池箱內(nèi)部的散熱特性和進(jìn)氣速率存在非線性關(guān)系。

電池箱；Fluent；溫度場(chǎng)

0 引 言

隨著國(guó)家加大新能源汽車的扶持力度及人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，純電動(dòng)汽車作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的重要一員正蓬勃發(fā)展。其中動(dòng)力鋰離子電池憑借其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低自放電率和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為純電動(dòng)汽車的優(yōu)先選擇。但鋰離子電池在使用過程中出現(xiàn)的燃燒爆炸等安全性問題嚴(yán)重制約著其在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。鋰離子電池的安全性問題首先是由“過熱”引發(fā)的。電池在使用時(shí)，生熱量大于散熱量，不斷累積的熱量促使電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，當(dāng)電池的溫度達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)，熱失控就會(huì)發(fā)生；因此研究鋰離子電池溫度場(chǎng)分布，進(jìn)而控制鋰離子電池在安全范圍內(nèi)工作具有重要意義。文中利用有限元分析軟件 ANSYS/Fluent，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在強(qiáng)制風(fēng)冷條件下的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較進(jìn)氣口送風(fēng)速率不同時(shí)電池箱的散熱效果。

1 熱特性模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型

電池箱使用100Ah方型鋰離子電池，鋰離子電池由外殼、正負(fù)極片、集流體和隔膜等材料按照一定順序依次層疊而成。電池材料熱物性參數(shù)見表1。

表1 方型鋰離子電池單體各材料的熱物性參數(shù)[1]

為方便建模和仿真，對(duì)鋰離子電池作以下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1）鋰離子電池幾何模型由內(nèi)核和鋁制外殼組成；

2）電池內(nèi)部對(duì)流和輻射散熱忽略不計(jì)；

3）電池內(nèi)阻和內(nèi)部各種材料比熱容不隨溫度和放電深度而改變；

4）電池導(dǎo)熱系數(shù)各向異性且同一方向?qū)嵯禂?shù)恒定；

5）電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻。

基于以上簡(jiǎn)化和假設(shè)，依據(jù)傳熱學(xué)和熱力學(xué)基本定理，建立鋰離子電池三維瞬態(tài)傳熱微分方程

式中，ρ為電池密度，kg/m3；CP為電池比熱容，J/(kg.K)；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；λ為電池導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m.K)；q為電池內(nèi)部單位體積的產(chǎn)熱生產(chǎn)率，W/m3。

1.2 產(chǎn)熱速率

電池在工作過程中產(chǎn)生大量熱量。電池產(chǎn)熱速率由式（2）得到[2]

式中，q為電池產(chǎn)熱速率，W/m3；I為電流，A；V為電池有效體積，m3；E為電池開路電壓，V；Eoc為電池工作電壓，V；T為電池溫度，K；dE/dT取-0.22 mV/K[3]。

由此計(jì)算出電池在 0.5 C放電倍率下的產(chǎn)熱速率為4 292.1 W/m3。

1.3 熱物性參數(shù)

1.3.1 電池導(dǎo)熱系數(shù)

電池各方向?qū)嵯禂?shù)計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[4]，分別為

λx為電池厚度方向?qū)嵯禂?shù)，λy、λz為電池寬度和高度方向?qū)嵯禂?shù)，λi為電池各層材料導(dǎo)熱系數(shù)，為電池各層材料厚度，LX為電池單體厚度。根據(jù)表1中相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計(jì)算，λx為1.637 W/(m.K)，λy、λz均為26.141 W/(m.K)。

1.3.2 電池平均比熱容

電池平均比熱容的計(jì)算公式見參考文獻(xiàn)[5]，其比熱容為

式中，CP為電池平均比熱容；M為電池單體質(zhì)量；mi為電池單體各層材料質(zhì)量；Ci為電池單體各層材料比熱容。經(jīng)計(jì)算，CP為1 102.9 J/(kg.K)。

1.3.3 電池密度

鋰離子電池密度可通過測(cè)得的電池質(zhì)量與電池總體積之比得到，其具體表達(dá)式為

式中，M為鋰離子電池單體總質(zhì)量，V為鋰離子電池單體總體積。經(jīng)計(jì)算，ρ為2 682.55 kg/m3。

2 仿真模型的建立

電池箱由20塊電芯按照1并20串布置在箱體內(nèi)，20塊電芯分上下兩排，每排電芯間距為8mm。受計(jì)算機(jī)硬件條件限制，忽略電池箱內(nèi)部線束、控制器和傳感器等零部件，將電芯簡(jiǎn)化為材料分布均勻的長(zhǎng)方體，電池箱箱體外表面為絕熱壁面。采用Pro/E建立電池箱三維模型，ICEM CFD劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，ANSYS/Fluent三維穩(wěn)態(tài)求解器和標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型求解仿真模型。

3 結(jié)果分析

計(jì)算模型初始溫度和空氣溫度設(shè)定為300 K，初始?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，冷卻空氣以1 m/s，3 m/s，6 m/s，9 m/s的速度從進(jìn)風(fēng)口吹入電池箱內(nèi)，電池箱內(nèi)各電池溫度場(chǎng)分布云圖如圖1～4所示。

圖1 v =1 m/s時(shí)電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖2 v=3 m/s時(shí)電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖3 v =6m/s時(shí)電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖4 v =9 m/s時(shí)電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

電池箱上排從左到右取編號(hào)1～10，下排從左到右取編號(hào) 11～20，由溫度云圖可以看出，冷卻空氣以1 m/s，3 m/s，6 m/s，9 m/s的速度由入口處流入電池箱內(nèi)部后，電池箱內(nèi)電池最高溫度分別上升到了56.7 ℃，39.5 ℃，34.6 ℃，32.8 ℃，電池箱內(nèi)溫差分別達(dá)到了29.8 ℃，12.6 ℃，7.7 ℃，6 ℃，入口空氣流速較低時(shí)，電池箱內(nèi)電池散熱一致性極不均勻，隨著入口空氣流速的增加，增加了其散熱性能，電池箱內(nèi)溫度均勻性變好，但過高的空氣流速，對(duì)降低電池溫度有限，此時(shí)不能一味地只增加空氣流速。

仿真結(jié)果顯示，電池產(chǎn)生的熱量被快速帶走達(dá)到散熱效果的同時(shí)，處于空氣入口處的電芯冷卻效果較好，而處于空氣出口處的5號(hào)和6號(hào)電芯冷卻效果較差，這是由于空氣進(jìn)入電池箱后，在流向出口的過程中被不斷加熱，被加熱的空氣加熱了后方的電芯，同時(shí)進(jìn)入電池箱內(nèi)部的空氣在流向出口的過程中不斷被減速及空氣流量相對(duì)減少，而且缺少有效的散熱通道來管理流向出口的空氣。

4 結(jié) 論

通過采用ANSYS/Fluent穩(wěn)態(tài)分析算法仿真不同空氣流速下的電池箱模型，得到以下結(jié)論：

1）隨著入口空氣流速的增加，電池箱內(nèi)溫度均勻性變好，當(dāng)流速增加到一定程度后，對(duì)電池箱內(nèi)溫差影響不大；

2）強(qiáng)制風(fēng)冷條件下，電池箱進(jìn)風(fēng)口處電芯散熱效果最佳，電池箱出口處電芯散熱效果最差。

[1]Chen Y, Evans J W. Thermal Analysis of Lithium-ion Batteries[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1996, 143(9): 2708-2712.

[2]Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A General Energy Balance for Battery Systems[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985, 132(1): 5-12.

[3]Wu M S, Hung Y H, Wang Y Y, et al. Heat Dissipation Behavior of the Nickle/metal Hydride Battery[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2000, 147(3): 930-935.

[4]林成濤，李騰，陳全世. 錳酸鋰動(dòng)力蓄電池散熱影響因素分析[J]. 兵工學(xué)報(bào)，2010（1）：88-93.

[5]王晉鵬. 密閉電池艙段內(nèi)鋰離子電池?zé)岱治鲅芯縖D]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

TM912

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.006

1002-4581（2017）01-0021-03

2016? 08? 24