鋰離子動力電池的散熱及優(yōu)化

劉淑琴，黃菊花，李甜甜

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031；2.江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西南昌330022)

鋰離子動力電池的散熱及優(yōu)化

劉淑琴1,2，黃菊花1，李甜甜1

(1.南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西南昌330031；2.江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西南昌330022)

基于鋰離子電池對溫度的敏感性，采用往復(fù)流對電池散熱溫度場進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，探究溫度及溫差對電池使用性能和安全性能的影響。根據(jù)電池組在不同環(huán)境溫度下的仿真結(jié)果，制定散熱控制方案并進(jìn)行實驗驗證，其結(jié)果表明：優(yōu)化后電池的溫度均勻性明顯提高，電池溫度和溫差可控制在電池使用的理想?yún)^(qū)間。

鋰離子電池;往復(fù)流;散熱方案

1 鋰離子電池?zé)崮Ｐ偷慕⒓癈FD仿真分析

建立鋰離子電池的三維熱模型，可以實時獲取電池表面和內(nèi)部的溫度情況，用于指導(dǎo)電池散熱方案的設(shè)計及優(yōu)化。

1.1 鋰離子電池產(chǎn)熱率的計算

電池產(chǎn)熱量的計算應(yīng)用Bernardi等人提出的理論計算公式[4]。該模型假設(shè)電池內(nèi)部的產(chǎn)熱處處相同，表達(dá)式為：

式中：I為電池放電電流；Vb、EOC、U1、T分別為電池體積、開路電壓、端電壓和溫度；dEOC/dT為溫度影響系數(shù)，一般是常數(shù)，取0.5 mV/K。

EOC-U1可以表示為IR，R為歐姆內(nèi)阻和等效極化內(nèi)阻之和，在電池不過充過放的條件下，R可定為常數(shù)，這里的值為25 mΩ，因此式(1)又可以寫為：

將已知的值帶入式(2)中，得到q的表達(dá)式為：

由式(3)可知，q是關(guān)于放電電流I和電池溫度T的函數(shù)，隨溫度和電流的變化而變化。

1.2 鋰離子電池組散熱幾何模型

26650電池容量小，應(yīng)用于電動汽車上時，需要電池的數(shù)量比較龐大，所以將電池排列為兩層，在電池模型一端安裝散熱風(fēng)扇，散熱風(fēng)從一端單向流入，另一端單向流出(如圖1所示)，電池間的距離為6 mm，上下層各九個單體電池。

圖1 電池組散熱幾何模型

1.3 電池組單向流仿真結(jié)果

對電池組模型進(jìn)行散熱仿真分析時，設(shè)置的條件為速度入口、壓力出口、環(huán)境溫度25℃，仿真分析電池組模型以不同倍率放電，通以不同散熱風(fēng)速的散熱效果，將結(jié)果記錄在表1中。

表1 單向流散熱溫度情況

從表1的仿真結(jié)果中可以看出，同一放電倍率下，入口風(fēng)速的增加能有效降低電池的最高溫度，使其控制在20～45℃，但電池間的溫差卻超過了5℃，在電池3C放電，1 m/s的風(fēng)速下達(dá)到了7.10℃，電池間的溫度均勻性很差。分析電池組的結(jié)構(gòu)，可知溫差主要存在于上下層電池之間，為了解決上述問題，考慮應(yīng)用往復(fù)流對電池模型進(jìn)行散熱優(yōu)化，達(dá)到降低電池間溫差的目的。

2 往復(fù)流散熱優(yōu)化

分析溫差存在的原因:(1)散熱風(fēng)從上層電池流向下層電池，帶走了上層電池的熱量，使下層電池的散熱風(fēng)溫度高于上層電池，根據(jù)熱對流公式可知，下層電池的換熱量小于上層電池，溫升更快；(2)根據(jù)流體力學(xué)，當(dāng)電池產(chǎn)生的風(fēng)流入電池間的間隙進(jìn)行熱交換時，電池表面的熱邊界層有一個從入口段到充分發(fā)展段的過程，入口段的熱邊界層較薄，局部表面換熱系數(shù)要高于充分發(fā)展段，根據(jù)熱對流公式，換熱系數(shù)越小，換熱量越少，故下層電池的換熱量小于上層電池。

因此，通過改變散熱風(fēng)的方向，采用往復(fù)流對電池散熱進(jìn)行優(yōu)化，可以減小上下層電池間的溫差[5]。

2.1 往復(fù)流散熱原理

往復(fù)流就是通過交換電池模塊的入風(fēng)口和出風(fēng)口條件，在電池模型的入、出風(fēng)口各加裝一個散熱風(fēng)扇A、B，通過控制風(fēng)扇的啟停來實現(xiàn)往復(fù)流，其原理如圖2所示。在上半周期，開啟風(fēng)扇A，空氣從A端流入，B端流出；下半周期，開啟風(fēng)扇B，空氣從B端流入，A端流出，通過周期性改變空氣在電池模塊中的流動方向來改變上下層電池的換熱系數(shù)及散熱風(fēng)與電池表面的溫差，從而達(dá)到降低電池溫度梯度的目的。

圖2 往復(fù)流散熱原理

2.2 往復(fù)流CFD仿真分析

采用往復(fù)流散熱方式，在電池的散熱完成半個周期時，交換模型的入口邊界及出口邊界，其他參數(shù)不變。由于電池1C放電時的產(chǎn)熱量少，單向流、小風(fēng)速散熱時，電池的溫度及溫差都處于理想溫度區(qū)間，因此，主要分析電池以2C和3C放電時，應(yīng)用方向能夠發(fā)生變化的往復(fù)風(fēng)對電池散熱的情況，并與方向固定不變的單向風(fēng)散熱情況進(jìn)行對比。設(shè)定往復(fù)流周期為1/2電池放電時間，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 2 C放電單向流與往復(fù)流對比結(jié)果

表3 3 C放電單向流與往復(fù)流對比結(jié)果

從表2和表3數(shù)據(jù)可以看出，相比于單向流散熱，往復(fù)流能明顯減小電池間的溫差，提高電池間的溫度均勻性。放電電流大小不同、風(fēng)速不同，溫差降低的程度不同：電池2C放電時，風(fēng)速分別為0.5和1.0 m/s，電池間的溫差分別降低了43.16%和33.75%；電池3C放電時，風(fēng)速分別為1和2 m/s，電池間的溫差分別降低了39.30%和31.24%，都將電池間的溫差控制在了5℃以內(nèi)。同時還可以發(fā)現(xiàn)，往復(fù)流散熱還能略微降低電池的最高溫度，說明往復(fù)流散熱是一種行之有效的散熱方法。

圖3所示為電池放電倍率2C，散熱風(fēng)速1 m/s，環(huán)境溫度25℃(298.5 K)時，電池組模型散熱仿真過程中冷卻空氣方向變化時刻電池表面的溫度云圖。

從圖3可以看出，隨著電池放電，電池溫度逐漸上升，電池間溫差也慢慢增大，靠近出風(fēng)口的電池溫升更快。在散熱空氣方向發(fā)生變化時，各電池的溫度上升速率發(fā)生變化，原先靠近空氣入口的電池溫升速率有所增大，而靠近空氣出口的電池溫升速率有所減小，從而使得電池間溫差又慢慢減小，在每一個空氣方向變化的時刻，溫升速率都發(fā)生相同的變化。

圖3 空氣流向變化時刻電池表面溫度云圖

2.3 往復(fù)周期對散熱的影響

分析以上的仿真結(jié)果可知，往復(fù)周期可以影響電池溫差，周期越小，溫差上升速率變化的越快。為了直觀地分析往復(fù)周期對散熱的影響，設(shè)置放電倍率為3C，比較常溫下電池通以不同周期的往復(fù)流冷卻風(fēng)的散熱效果，表4為實驗因素表。

表4 往夏流實驗因素表

根據(jù)實驗因素表4，對每一個入口風(fēng)速都進(jìn)行三種不同往復(fù)周期的實驗，一共需進(jìn)行9組實驗，將實驗方案及實驗結(jié)果記錄在表5中。

表5 3 C放電往復(fù)流實驗方案及結(jié)果

從表5中可以看出，在散熱風(fēng)速相同的條件下，隨著往復(fù)流周期的減少，電池間的溫差有逐漸減少的趨勢，周期越小，電池模型的最高溫度越低，最低溫度越高，從而溫差越小。往復(fù)流周期減少到1/3的電池放電時間時，電池間的溫差已經(jīng)能很容易控制在5℃以內(nèi)，往復(fù)周期從1/3減小到1/4的電池放電時間，電池的溫差及最高溫度變化很小，繼續(xù)縮短往復(fù)流的周期，對電池最高溫度及溫差影響很小。當(dāng)汽車行駛時，電池電流并不是恒定不變的，而是在一定范圍內(nèi)變化的，最大放電電流為9 A，即3C放電，所以選定往復(fù)流周期為最小的1/4電池放電時間(9 A放電時間1 200 s)即300 s，對電池模型以2C放電的往復(fù)流散熱溫度場進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表6所示。

表6 2 C放電往夏流仿真結(jié)果

綜上所述，常溫下電池以1C、2C、3C放電時，分別通以0.3、0.5、1.0 m/s的往復(fù)環(huán)境風(fēng)都能使電池的最高溫度及溫差控制在理想溫度區(qū)間，電池得到有效的散熱。

3 電池組散熱控制方案與實驗驗證

3.1 電池組散熱控制方案

要制定電池組散熱控制方案，就要知道電池組在整個環(huán)境溫度內(nèi)不同風(fēng)速下的散熱情況。下面分析環(huán)境溫度為32和40℃時電池模型往復(fù)流散熱的溫度場，往復(fù)周期為300 s，其結(jié)果如表7和表8所示。

表8 40 ℃環(huán)境下往復(fù)流散熱冷卻效果

表7數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境溫度為32℃時，電池放電倍率分別為1C、2C、3C時，散熱風(fēng)速分別為0.5、2.0、5.0 m/s時，都能使電池達(dá)到溫度控制目標(biāo)；表8數(shù)據(jù)顯示，在環(huán)境溫度為40℃時，電池的溫度很難下降，1C、2C放電時，需要2和5 m/s的風(fēng)速才能使電池溫度勉強(qiáng)達(dá)到控制目標(biāo)，放電倍率3C時，即使是8 m/s的風(fēng)速，電池的最高溫度也達(dá)到了49.76℃，超過了目標(biāo)值45℃。

電動車輛實際行駛時，在各種工況下的電池狀態(tài)是不一樣的，電池長時間的放電倍率基本不會超過2C。雖然電池的最大放電倍率是3C，汽車行駛時能達(dá)到3C電流的時間也非常短，而仿真時設(shè)置的條件是電池在整個過程中恒流放電，所以汽車行駛時，電池以最大放電倍率3C一直工作的情況是不存在的，因此，即使是在40℃的高溫環(huán)境下，往復(fù)流風(fēng)冷也能達(dá)到電池溫度控制目標(biāo)。

基于以上仿真結(jié)果及分析，制定電池組散熱控制方案如下：

(1)環(huán)境溫度低于25℃時的冷卻方案

當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時，電池組與環(huán)境的換熱能力大，溫升較慢。當(dāng)檢測到電池溫度高于25℃時，若電池倍率放電小于1C，以0.3 m/s的往復(fù)環(huán)境風(fēng)強(qiáng)制冷卻；若放電倍率在1C～2C之間，以0.5 m/s的環(huán)境風(fēng)散熱冷卻；若放電倍率大于2C，以1 m/s的環(huán)境風(fēng)散熱冷卻。

(2)環(huán)境溫度在25～32℃的冷卻方案

該環(huán)境下，只要電池工作就給電池組進(jìn)行散熱。電池放電倍率小于1C時，散熱風(fēng)速為0.5 m/s；電池放電倍率在1C～2C之間，散熱風(fēng)速為1 m/s；電池放電倍率大于2C時，散熱風(fēng)速為3 m/s。

(3)環(huán)境溫度超過32℃的冷卻方案

此時，外界環(huán)境溫度過高，在電池工作時要一直給電池進(jìn)行散熱，電池放電倍率小于1C時，散熱風(fēng)速為2 m/s；電池放電倍率在1C～2C之間，散熱風(fēng)速為5 m/s；電池放電倍率大于2C時，散熱風(fēng)速為8 m/s。圖4所示為散熱控制流程圖。

圖4 散熱控制流程圖

3.2 散熱控制方案的實驗驗證

為了確定上述散熱控制方案是否合理，能否將電池的最高溫度控制在20～45℃，電池間的溫差控制在5℃以內(nèi)，對上述方案進(jìn)行實驗驗證。

(1)實驗平臺的搭建

搭建實驗平臺，如圖5所示，電池組模型的搭建與仿真模型一樣。電池放電電流由直流電子負(fù)載2來控制，使電流在整個放電過程中變化，具體變化值如圖6所示。在各電池表面中心位置粘貼溫度傳感器，溫度傳感器連接到溫度測試儀3，在溫度測試儀上有一個USB接口，可以插入USB存儲器。溫度測試儀可以實時采集電池在整個放電過程中的溫度值并記錄在USB存儲器上。

圖5 實驗平臺搭建

圖6 實驗過程中電流的變化

(2)實驗過程和結(jié)果

根據(jù)圖5的實驗平臺，完成四組對比實驗，設(shè)置實驗箱的溫度分別為28和35℃，每個溫度下對電池組進(jìn)行無散熱和往復(fù)流散熱兩組實驗，散熱風(fēng)速按圖4所示方案進(jìn)行控制，電池組電流按圖6所示變化。實驗過程中實時記錄電池表面溫度存儲于USB存儲器中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到圖7和圖8所示結(jié)果。圖中，橫坐標(biāo)為放電時間，左縱坐標(biāo)為電池模型在無散熱方案和往復(fù)流散熱方案下各時刻的最高溫度，右縱坐標(biāo)為往復(fù)流散熱時電池間的實時溫差。

圖7 無散熱和往復(fù)散熱溫度對比曲線（28℃）

圖8 無散熱和往復(fù)散熱溫度對比曲線（35℃）

通過實驗驗證，可知往復(fù)流散熱控制方案是合理的，它能明顯降低電池的最高溫度，使電池溫度上升較平緩。放電結(jié)束后，分析電池組模型在有無散熱兩種情況下的溫度結(jié)果：外界溫度分別為28和32℃時，往復(fù)流散熱結(jié)束后電池的最高溫度分別達(dá)到了38.30和41.91℃，比無散熱的情況下分別低10.00和13.07℃；電池的溫差在整個放電過程中都控制在了3℃以內(nèi)，電池的最高溫度和電池間的溫差都處在理想溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

(1)與單向流散熱相比，往復(fù)流散熱能明顯降低電池間的溫差。25℃環(huán)境下，電池2C、3C放電，散熱風(fēng)速分別為0.5、1.0 m/s，往復(fù)流周期300 s，電池間溫差分別降低了67.28%、53.66%；

(2)考慮往復(fù)周期對溫差的影響，通過實驗，確定了比較合適的往復(fù)流的往復(fù)周期300 s，此時能較容易地將電池的溫差控制在5℃以內(nèi)；

(3)本文根據(jù)不同環(huán)境溫度下電池組的溫度仿真結(jié)果，制定了電池組散熱控制方案并通過實驗驗證了該方案的合理性，實驗中單向流與往復(fù)流的散熱結(jié)果對比表明：合理的往復(fù)流散熱能明顯降低電池的最高溫度，使電池溫度上升較平緩，并將電池溫度控制在20～45℃之間以及將電池溫差控制在5℃以內(nèi)。

[1]SATO N.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].Journal of Power Sources,2001,99(1/2)：70-77.

[2]陳維.基于熱管技術(shù)的汽車動力電池組熱控系統(tǒng)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.

[3]李策園.純電動汽車鋰動力電池組溫度場特性研究及熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué),2014.

[4]BERNARDI D,PAWLIKOWSKI E,NEWMAN J.A general energy balance for battery systems[J].The Electrochemical Society,1985,132(1)：5-12.

[5]梁波，歐陽陳志，劉燕平，等.往復(fù)流散熱方式的鋰離子電池?zé)峁芾韀J].汽車工程，2014(12):1449-1454.

Heat dissipation and optimization of lithium-ion power batteries

LIU Shu-qin1,2,HUANG Ju-hua1,LI Tian-tian1
(1.School of Mechanical&Electrical Engineering,Nanchang University,Nanchang Jiangxi 330031,China;2.College of Physics and Communication Electronics,Jiangxi Normal University,Nanchang Jiangxi 330022,China)

Based on the sensitivity of the lithium-ion battery to temperature, the cooling temperature field of lithium-ion battery were analyzed and optimized by the reciprocating air flow method,and the effects of temperature and temperature difference on the operational performance and safety performance were researched.According to the simulation data under different ambient temperatures,the cooling solution was proposed,and also the solution was verified through experiments.The results show that the temperature uniformity of the batteries after optimization is increased obviously, and the maximum temperature differences can be controlled under the ideal range of the battery temperature.

lithium-ion batteries;reciprocating air flow;cooling solution

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)07-0963-05

2016-12-10

劉淑琴（1980—），女，江西省人，博士，主要研究方向為電動汽車電池管理及電驅(qū)動控制研究。通過實驗進(jìn)行驗證。

環(huán)境污染、能源緊缺使得電動汽車迅速發(fā)展，而鋰離子電池的高比容量和比功率以及高效的充放電率等優(yōu)點使得其廣泛應(yīng)用于電動汽車。鋰離子電池對溫度特別敏感，發(fā)生反應(yīng)時會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)熱、焦耳熱、極化反應(yīng)熱和副反應(yīng)熱等[1]，這些熱量如果得不到及時有效的散發(fā)，將會影響電池的端電壓、放電容量、內(nèi)阻、壽命、充放電效率等[2]，即影響電池的使用性能，甚至?xí)l(fā)生安全隱患，從而影響整車的性能和安全狀況；如果各單體電池間的溫度差異較大，將會使各單體電池在容量及電壓上存在差異，從而大大降低電池的電化學(xué)性能，一系列的差異也將導(dǎo)致各單體電池的壽命出現(xiàn)差異，由短板效應(yīng)可知，這將影響整個電池組的使用壽命。因此，對電池的最高溫度控制及電池間的溫度均勻性控制能夠保證電池的使用安全和使用性能最優(yōu)化。一般鋰離子電池的理想工作溫度區(qū)間為20～45℃，溫差應(yīng)控制在5℃以內(nèi)[3]。

本文采用結(jié)構(gòu)簡單、成本低的空氣散熱方式，以26650磷酸鐵鋰電池(額定容量3 Ah，額定電壓3.2 V，最大放電電流3C)為研究對象，應(yīng)用fluent仿真模擬電池組的散熱溫度場，并采用往復(fù)流散熱進(jìn)行優(yōu)化，能有效改善電池的溫度，使其達(dá)到散熱目標(biāo)；最后根據(jù)仿真結(jié)果制定合理的散熱控制方案并