熱電制冷技術(shù)在鋰離子電池?zé)峁芾砩系膽?yīng)用研究

崔 燦，申利梅，陳煥新

( 1．華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

熱電制冷技術(shù)在鋰離子電池?zé)峁芾砩系膽?yīng)用研究

崔 燦1，申利梅2，陳煥新2

( 1．華中科技大學(xué) 中歐清潔與可再生能源學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．華中科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074 )

鋰離子動力電池具有電壓平臺高、比能量大、充放電效率高及壽命長等優(yōu)勢，已經(jīng)在新能源汽車領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。但它的散熱問題成了制約其發(fā)展的瓶頸。目前鋰離子電池的散熱有多種散熱方式，鑒于熱電制冷具有冷熱端靈活轉(zhuǎn)換，高可靠性，安全性等優(yōu)點，本文將熱電制冷技術(shù)應(yīng)用于蓄電池的散熱，基于電池的發(fā)熱機(jī)理提出了一種新的散熱優(yōu)化方案，并通過ICEPAK進(jìn)行了熱仿真分析。研究發(fā)現(xiàn)該方案能夠在環(huán)境溫度為40℃的惡劣條件下，使電池表面平均溫度維持在30℃左右，能夠適應(yīng)電池的散熱需求，為日后熱電技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

動力電池；散熱；熱電制冷；熱仿真

Abstract： Lithium-ion battery has a high voltage platform，high energy，high charge and discharge efficiency and long life and so on，which have been widely applied in the field of new energy vehicles．However，theheat dissipationhave become the bottleneck problem which limited the development of battery．There have been many ways to cooling the battery until now．For the TEC(thermoelectric cooling) have the advantage of flexible conversion between hot and cold side，high reliability and high safety，we use the TEC to the management of the battery，we proposed a new structure which based on the thermal generation of the battery and do the thermal simulation in the Ansys．Our research find the TEC can maintain the battery 30℃ in the environment temperature of 40℃，which meet the requirement of thermal dissipation and can be the reference for using on the electric vehicles．

Keywords：Lithium-ion battery；Dissipation；TEC；Thermal simulation

引言

鋰離子電池因比能大、循環(huán)壽命長、低溫效應(yīng)好等優(yōu)點是目前首選的動力蓄電池，是提高整車性能和降低成本的關(guān)鍵。電池的充放過程伴隨的反應(yīng)熱如果不及時散出，對電池的可靠性與壽命有極大的負(fù)面影響。因此有效的熱管理是保障電動汽車穩(wěn)定運行的必要條件[1]。目前電池主要的散熱方式主要有風(fēng)冷散熱，水冷散熱，相變冷卻等。本文將熱電制冷(TEC)應(yīng)用于鋰離子電池的散熱，熱電制冷是一種基于帕爾貼效應(yīng)的新型制冷方式，具有可靠性高，無運動部件，無噪聲，冷熱切換方便等優(yōu)點，已經(jīng)被用于EV上鉛酸蓄電池的溫度控制[2，3，]和HEV上的發(fā)電裝置[4]，I.-S.Suh等[5]將TEC安裝于電池的上方而設(shè)計了一種散熱裝置，利用CFD熱仿真并在實驗室測試了環(huán)境溫度下的制冷效果，結(jié)果表明TEC的加入能夠提高電池的運行效率以及安全性。ChakibAlaoui[6]則將TEC貼于電池的側(cè)面，建立了熱阻的數(shù)學(xué)模型并對系統(tǒng)的COP求解計算，結(jié)果表明在駕駛階段，制冷裝置的COP能夠達(dá)到1.2。本文基于熱電制冷設(shè)計了一種新型的散熱裝置，對電池的熱導(dǎo)率進(jìn)行了計算并在ICEPAK中進(jìn)行了熱仿真分析，分析結(jié)果能夠為后續(xù)鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供支持。

1 電池的產(chǎn)熱

1.1 電池的產(chǎn)熱機(jī)理

鋰離子電池的正負(fù)極的一般化學(xué)反應(yīng)式和總反應(yīng)式如下：

正極：LiMO2← →Li1-xMO2+xLi++xe-

負(fù)極：xLi++xe-+nC ← →LixCn

總反應(yīng)：LiMO2+nC ← →Li1-xMO2+xLixCn

從電化學(xué)反應(yīng)式可知鋰離子電池的化學(xué)反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)，因此鋰離子在正負(fù)極間移動和電子在外電路的流動產(chǎn)生電流和電壓。

1.2 電池?zé)崮Ｐ?/h3>

(1)

λ—x、y、z三方的熱導(dǎo)率。

產(chǎn)熱q的經(jīng)驗公式:

(2)

式中，I—放電電流，Uoc—開路電壓，V—電池電路電壓，R—電池總的內(nèi)阻。

根據(jù)sata提出的簡化模型：

QC=-3.73×10-2Q1IC+3.6IC2R(kJ/h)

(3)

Qd=3.73×10-2Q1Id+3.6IC2R(kJ/h)

(4)

式中，Q1—正負(fù)極的產(chǎn)熱(kJ/mol)。

1.3 獲取電池的熱物性參數(shù)

錳酸鋰動力電池由鋁塑膜外殼、內(nèi)核、集流體和極耳構(gòu)成，內(nèi)核包括了正極材料、隔膜、負(fù)極材料和電解液。上述材料的密度、比熱和導(dǎo)熱系數(shù)均為熱計算所需。如表1所示。

表1 用于建模的電池單體內(nèi)各材料的物性參數(shù)

材料熱導(dǎo)率/W/(m·k)密度/kg/m3比熱容/J/(kg·k)正極材料39128403910676負(fù)極材料331671241064銅箔398893303850鋁箔238270209030隔膜03344658773197816鋁塑膜外殼0427016360137695正極極耳(鋁)238270209030負(fù)極極耳(鎳)13881100460

如圖1所示為鋰離子電池內(nèi)部的典型結(jié)構(gòu)。根據(jù)電池內(nèi)部各層(如正極板、負(fù)極板、隔膜等)的主要材質(zhì)，可以確定各層單獨的導(dǎo)熱系數(shù)和熱阻。計算電池的導(dǎo)熱系數(shù)時，需按x，y，z三個正交方向分別計算，其中x和y方向的熱阻是串聯(lián)的，z方向的熱阻是并聯(lián)的。

根據(jù)串聯(lián)熱阻的計算思路，可以得到電池沿x和y方向的導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式如下：

(5)

圖1 電池幾何參數(shù)及導(dǎo)熱系數(shù)方向設(shè)置

根據(jù)并聯(lián)熱阻的計算思路，可以得到電池沿z方向的導(dǎo)熱系數(shù)的計算公式如下：

(6)

式(5)和式(6)中：

k—電池沿某個方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；

能夠佐證陸游初仕的作品很多，諸如《云門壽圣院記》《老學(xué)庵筆記》等等，然而鄒先生卻選擇《留題云門草堂》和《泛瑞安江風(fēng)濤貼然》兩首詩。

ki—第i層單獨的導(dǎo)熱系數(shù)；

li—第i層串聯(lián)熱阻層的厚度；

Ai—第i層并聯(lián)熱阻層的截面

由公式(5)可計算出電池沿x和y方向的導(dǎo)熱系數(shù)：kx=0.5,ky=1.03，由公式(6)可計算出電池沿z方向的導(dǎo)熱系數(shù)：kz=1.23。

1.4 電池產(chǎn)熱量的估計

文獻(xiàn)[6]測試了環(huán)境溫度分別為-20℃，0℃，25℃，40℃環(huán)境溫度下，1C和3C放電倍率下電池的放熱功率，如表2。

表2 電池在不同溫度，不同放電倍率下的放熱量

溫度/℃效率/%充電量放電量能量損失功率損失1C3CCC/CV1C3C1C3C1C3C-2078．7375．86174137132374246．25168082．5481189156．01153．1232．9935．8837．36126．782595．889．92196187．78176．258．2219．758．3562．54098．697．4198195．23192．872．775．132．7715．54

圖2 熱電與熱管冷卻蓄電池模型示意圖

本文中我們設(shè)置電池40℃的惡劣環(huán)境，研究電池單體散熱量為50W的溫度狀況。

2 熱電-熱管冷卻模型

2.1 熱電片冷卻蓄電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文針對鋰電池單體的排列方式設(shè)計了一種新的熱電散熱裝置如圖2所示，電池之間以鋁板隔開，在鋁板中間加入熱管，熱量通過熱管及鋁板傳遞給下方的導(dǎo)熱板。熱量在導(dǎo)熱板上擴(kuò)散并傳遞給下方TEC的冷端。TEC熱端采用翅片加強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，風(fēng)扇將熱量從下方的風(fēng)道排至汽車的下方。

該種結(jié)構(gòu)采用具有嵌入熱管的鋁板來冷卻電池，在降溫的同時保證電池表面溫度的均勻性。下方的導(dǎo)熱板能夠防止某一個電池溫度過高，確保了電池單體間溫度分布的均勻性。TEC被置于電池箱的下方方便拆卸，其熱端緊貼肋片。肋片下方是供風(fēng)的風(fēng)道，置于電池箱體外側(cè)，方便熱量從車輛的下方排出。

圖3 模型網(wǎng)格劃分

2.2 網(wǎng)格模型

本文選取相鄰的兩塊電池作為研究對象如圖2所示，在icepak中建立三維模型。電池內(nèi)部的疊層較多，如果嚴(yán)格按照電池的原始物理結(jié)構(gòu)建模，將使網(wǎng)格數(shù)過多，計算量過大。因為我們采用計算平均熱導(dǎo)率的方法，忽略電池內(nèi)部的具體結(jié)構(gòu)，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對電池單體進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格共87478個，網(wǎng)格模型如圖3所示。

3 結(jié)果與分析

3.1 加入熱電片對電池的溫度影響

圖4 有無TEC的電池溫度場云

圖4為不加TEC時與加TEC時溫度云圖，其中每塊電池50W產(chǎn)熱量，風(fēng)扇風(fēng)量為2kg/s。從圖中可以看出未加TEC時電池表面平均溫度為50℃，加入TEC時電池表面溫度為44℃，電池平均溫度降低6℃。電池表面溫差從14℃降低至10℃。TEC的加入降低了電池表面的平均溫度和電池表面的溫差。這是因為電池上方的高溫區(qū)域能夠?qū)崃勘M快散出，但下方低溫區(qū)域并未減少。

3.2 熱管數(shù)量對電池溫度的影響

圖5是加入一根熱管與加入兩根熱管時電池的溫度云圖，其中每塊電池50W產(chǎn)熱量，風(fēng)扇風(fēng)量為2kg/s。從圖中可以看出一根熱管的條件下，電池表面平均溫度約為44℃，表面最大溫差為9℃；兩根熱管的條件下，電池平均溫度為37℃，表面最大溫差為5℃。兩根熱管能夠使電池表面平均溫度與最大溫差較一根熱管時更小，同樣因為電池上方高溫區(qū)域的熱量得到快速耗散。電池下方低溫區(qū)域則被擠壓到電池的左右兩個棱角處，面積減小。結(jié)果說明了熱管數(shù)量的增加能夠降低電池的平均溫度和表面最大溫差。

3.3 TEC數(shù)量對電池溫度的影響

圖5 熱管數(shù)量不同時電池溫度場云圖

圖6 TEC數(shù)量不同時電池溫度場云圖

圖7 最大溫差和平均溫度隨電流的變化

圖6是兩塊TEC和三塊TEC時的電池溫度場云圖，其中每個電池50W產(chǎn)熱量，風(fēng)扇風(fēng)量為2kg/s。從圖中可以看出TEC的數(shù)量對電池表面溫度的影響，當(dāng)增加一塊TEC后，同樣條件下電池表面的平均溫度從37℃降低為21℃，最大溫差仍然是9℃，這是因為在電池的最高溫度降低的同時，最低溫度也隨著降低。同時電池下方的低溫區(qū)域由兩塊變?yōu)槿龎K，電池上方仍然存在高溫的區(qū)域，降低了表面溫度的均勻性。

3.4 電流對最大溫差與平均溫度的影響

圖7是針對三塊TEC的情況下，電流的改變對電池表面最大溫差與平均溫度的影響。從圖中可以看出，隨著電流的增加，最大溫差首先保持平穩(wěn)，這是因為電池最大溫度與最小溫度同時減小。在3.5A時，電池表面最大溫差開始增加；同時，平均溫度也開始增加，因為TEC熱端產(chǎn)熱量隨著電流的增加而增加，熱端的風(fēng)扇風(fēng)量始終維持在2kg/s，限制了TEC的制冷能力。可以通過改變熱端的風(fēng)量來進(jìn)一步調(diào)節(jié)電池的溫度。

4 結(jié)論

本文將熱電制冷應(yīng)用于鋰離子電池的散熱，在ICEPAK中建立了電池的熱模型并對不同的工況下進(jìn)行了仿真與分析。我們發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度為40℃的惡劣環(huán)境下，強(qiáng)迫風(fēng)冷并不能起到有效的散熱效果。TEC的加入能夠使電池的溫度降低8℃，使電池的溫度維持在40℃左右，符合高溫環(huán)境下，電池溫度小于50℃的要求。TEC的數(shù)量同樣能夠影響電池的平均溫度，文中我們探討了兩塊熱電片和三塊熱電片對電池表面溫度的影響，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，增加一塊TEC能使電池表面平均溫度降低16℃，但最大溫差并未得到有效的改善，電池下部出現(xiàn)了較低的溫度區(qū)域。在保持熱端風(fēng)量不變的情況下，TEC電流為3.5A時電池表面的最大溫差與平均溫度最低，符合電池的溫控要求。

在蓄電池的工作環(huán)境里，依靠傳統(tǒng)的風(fēng)冷，蓄電池很難保持在合適的工作溫度范圍，尤其在環(huán)境溫度較高時．因此，為保證蓄電池的正常工作，可以為蓄電池設(shè)計合適的TEC散熱系統(tǒng)。

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TheThermoelectricRefrigerationTechnologyApplicationResearchonLithium-ionBatteryThermalManagement

CUI Can1，SHEN Limei2，CHEN Huanxin2

( 1．China-EU Institute for Clean and Renewable Energy at Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430074 Hubei； 2．School of Energy and Power Engineering at Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074 Hubei )

2017-3-16

國家自然科學(xué)基金項目(51376068)

崔燦(1991-)，男，碩士研究生，研究方向：熱電制冷的應(yīng)用研究。E-mail：hustcan@sina．com

ISSN1005-9180(2017)03-013-06

TB61+9文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.03.003