雙層布置鋰離子電池組散熱性能分析

劉顯茜， 鄒 濤， 侯宏英， 徐梽宇， 王星博

(1.昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 云南 昆明 650500；2.昆明理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 云南 昆明 650093)

鋰離子電池因容量高、循環(huán)壽命長、自放電率低而被廣泛用作車載動力源[1]。然而，鋰離子電池組充放電產(chǎn)生大量熱量，熱量聚集引起電池溫度過高且分布不均，致使電池組充放電性能下降，循環(huán)壽命縮短，安全性能降低。因此，電池?zé)峁芾?Battery Thermal Management,BTM)研究成為重點[2]。

BTM研究包括高溫散熱和低溫預(yù)熱，而電池組高溫散熱方式主要有空氣冷卻[3-5]、液體冷卻[6-8]、相變材料冷卻[9-10]和熱管冷卻[11-12]等。空氣冷卻系統(tǒng)因結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、制造成本低且利于有害氣體排出，成為車載動力電池組冷卻首選。Wang等[13]研究了強制風(fēng)冷電池組矩形排列、六邊形排列、圓形排列以及風(fēng)扇安裝位置對提高電池組溫度均勻性影響;Xu與He[14]在強制風(fēng)冷散熱方式下，對不同氣流管道模式以及氣流路徑對電池組散熱性能影響進(jìn)行了研究;眭艷輝等[15]對圓柱型電池串聯(lián)與并聯(lián)通風(fēng)冷卻進(jìn)行實驗研究，并著重分析了電池組梯形排列對溫度分布影響；Lu等[16]研究了電池組進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口位置以及冷卻通道尺寸對電池組散熱與溫度分布影響；Park[17]設(shè)計了5種錐形歧管電池箱體，試圖通過增大冷卻通道空氣流速改善電池組過熱和溫度分布不均現(xiàn)象。然而，這些工作多集中在電池組單層排列串行或并行散熱，對電池組雙層并行散熱研究還很缺乏。本文提出電池組雙層順排，電池箱體進(jìn)、出風(fēng)口同側(cè)布置，采用空氣并行冷卻方式，運用ANSYS/FLUENT對不同進(jìn)風(fēng)速度、溫度以及放電倍率對電池組溫度分布及最高溫度Tmax和溫差ΔT影響進(jìn)行分析。

1 物理模型

對18650磷酸鐵鋰電池(額定容量為2000 mAh，內(nèi)阻30 mΩ，標(biāo)稱電壓3.7 V)采用4×4的雙層順序排列(32個)。電池間及電池與箱體間距4 mm，電池與箱體頂(底)間距10 mm，為簡化計算，忽略電池間連接電路及電池底座對電池組散熱影響。電池箱體進(jìn)、出風(fēng)口長與寬分別為92 mm和10 mm，如圖1所示。為方便分析，以#1—#8表示從上層進(jìn)風(fēng)口到下層出風(fēng)口電池模塊序號，如圖2所示。散熱模型熱物性參數(shù)如表1所示。

圖1 散熱模型 圖2 不同方向電池組示意圖

參數(shù)18650磷酸鐵鋰電池空氣電池箱體密度/kg·m-320181.2252719比熱容/J·kg-1·K-112821 006.43871熱導(dǎo)率/W·m-1·K-1λr=0.9, λφ=2.7, λz=2.70.024 2202.4動力粘度/kg·m-1·s-1—1.789 4×10-5—

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 熱傳遞模型

假設(shè)電池是由各向同性、均勻、不透明材料組成，電池輻射與對流傳熱占比很小，電池內(nèi)部熱傳遞方式主要為熱傳導(dǎo)，在柱坐標(biāo)下電池?zé)醾鬟f的能量守恒方程為

(1)

其中ρ為電池平均密度,Cp為電池比熱容,T為電池?zé)崃W(xué)溫度,t為時間,λr、λφ、λz分別為柱坐標(biāo)下r、φ、z三個方向的熱導(dǎo)率,q為電池單位體積生熱速率。

2.2 生熱速率模型

電池產(chǎn)生的熱量主要來源于電化學(xué)反應(yīng)熱，極化反應(yīng)熱，歐姆熱和因過充/放電、自放電以及電解質(zhì)分解而生成的副反應(yīng)熱。在實際運用中，不考慮極化反應(yīng)熱和過充/放電產(chǎn)生熱，且自放電和電解質(zhì)分解產(chǎn)生的熱量很小，可忽略不計。采用Bernardi[18]提出生熱速率模型，生熱速率q表達(dá)式為

(2)

(3)

2.3 條件設(shè)定

表2 不同放電倍率電池生熱速率

電池溫度場計算可轉(zhuǎn)化成對式(1)的數(shù)學(xué)問題求解，電池與冷空氣間熱交換為氣固耦合傳熱過程。為提高計算精度，電池箱體內(nèi)氣體域為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，固體域為結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。電池箱體進(jìn)風(fēng)口速度為常數(shù)，出風(fēng)口為自由出口，電池箱體內(nèi)空氣遵循標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，電池組初始溫度為298.15 K，箱體內(nèi)空氣與電池箱體為無滑移的邊界條件，空氣與電池間為對流換熱，能量方程收斂精度為10-7，其余方程為10-3。

3 結(jié)果與討論

3.1 進(jìn)風(fēng)速對電池組溫度場的影響

為了研究進(jìn)風(fēng)速度對鋰離子電池組散熱影響，在2C放電倍率、進(jìn)風(fēng)溫度293.15 K條件下，計算了風(fēng)速分別為0.5、1、2、3、4、5、6 m/s時電池組溫度變化，結(jié)果如圖3和圖4所示。風(fēng)速較小(0.5 m/s)時，電池組最高溫度和溫差為321.79 K和22.73 K，空氣與電池表面對流換熱導(dǎo)致空氣溫度急劇升高，下層電池散熱性能較差。隨著風(fēng)速增大到1 m/s，電池組下層溫度分布有所改善，但是，靠近進(jìn)、出口電池模塊受空氣流場和溫度場影響其溫度仍然較高，相較于0.5 m/s風(fēng)速，電池組最高溫度和溫差下降了10.08 K和7.52 K。風(fēng)速繼續(xù)從1 m/s增至6 m/s，電池組最高溫度和溫差下降了9.74 K和7.66 K，上層靠近進(jìn)口側(cè)電池模塊和下層電池組溫度逐步降低，且靠近進(jìn)口側(cè)電池受箱體結(jié)構(gòu)影響與較少空氣換熱溫度最高。

圖3 不同進(jìn)風(fēng)速的溫度分布云圖

(a) Tmax曲線 (b) ΔT曲線圖4 進(jìn)風(fēng)速對電池模塊Tmax和ΔT變化曲線

電池組不同模塊最高溫度和溫差如圖4所示。在較低風(fēng)速(0.5、1 m/s)時，電池組最高溫度和最低溫度分別發(fā)生在#8和#4電池模塊，電池組最大溫差和最小溫差分別發(fā)生在#1和#8電池模塊。#8電池模塊處在空氣、電池對流熱交換的末端，電池、空氣間熱交換充分，但空氣溫度最高，故而，#8電池模塊溫度最高、溫差最小。風(fēng)速為2、3 m/s時，電池組最高溫度和最低溫度分別發(fā)生在#1和#4電池模塊，而最大溫差和最小溫差發(fā)生在#1和#7電池模塊。風(fēng)速4～6 m/s時，電池組最高(大)溫度(溫差)和最低(小)溫度(溫差)分別發(fā)生在#1和#4電池模塊。風(fēng)速由0.5 m/s增加到6 m/s，電池組最高溫度由321.79 K降至301.98 K，溫差由22.73 K降至7.56 K。即隨著進(jìn)風(fēng)速度增大，電池組最高溫度與溫差均減小，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到2 m/s時，減小趨勢開始變?nèi)酢Ｒ虼嗽谳^低風(fēng)速下，提升風(fēng)速可顯著改善電池組散熱性能，提高溫度分布一致性；但風(fēng)速達(dá)到一定值后，進(jìn)一步提升風(fēng)速卻不能顯著提升電池組散熱效果。

3.2 進(jìn)風(fēng)溫度對電池組溫度場的影響

在2C放電倍率、進(jìn)風(fēng)速度4 m/s條件下，對溫度分別為283.15、288.15、293.15、298.15 K的電池組散熱進(jìn)行了計算，結(jié)果如圖5所示。

(a) Tmax曲線 (b) ΔT曲線圖5 進(jìn)風(fēng)溫度對電池模塊Tmax和ΔT影響

4種進(jìn)風(fēng)溫度條件下，#1電池模塊因受空氣流場影響未能與冷空氣充分換熱，最高溫度和溫差最大，分別為294.97、299.52、304.25、308.44 K和7.87、7.67、7.64、7.70 K。#4電池模塊與空氣對流換熱充分，最高溫度和溫差最小，分別為286.74、291.62、296.50、301.34 K和1.98、1.92、1.87、1.78 K。同時，還可以看到，隨著進(jìn)風(fēng)溫度降低，電池組各電池模塊最高溫度顯著減小，而電池組各模塊溫差變化不明顯。進(jìn)風(fēng)溫度由298.15 K降到283.15 K，電池組最高溫度由308.44 K降至294.97 K，溫差由8.56 K升至9.82 K，僅變化1.26 K。即降低進(jìn)風(fēng)溫度可提升電池組散熱性能，進(jìn)而改善因溫度過高而導(dǎo)致的電池使用性能下降。

3.3 放電倍率對電池組溫度場的影響

在進(jìn)風(fēng)速度2 m/s、溫度293.15 K時，分別對1C、1.5C、2C、2.5C、3C放電倍率電池組進(jìn)行計算，結(jié)果如圖6所示。在#1電池模塊發(fā)生最高溫度和最大溫差，分別為296.80、299.17、307.93、316.37、327.29 K和2.33、3.41、10.32、16.04、24.05 K，#4電池模塊發(fā)生最低溫度294.64、296.04、298.19、301.30、304.68 K，#7電池模塊發(fā)生最小溫差0.66、0.99、1.89、3.57、5.00 K。隨著放電倍率提高，電池生熱量增大，各電池模塊最高溫度和溫差都有顯著升高。在3C放電時，電池組最高溫度和溫差分別高達(dá)327.29 K和29.42 K，而1C放電時，最高溫度和溫差僅為293.34 K和3.62 K。因此，為了維護(hù)電池循環(huán)使用壽命，在滿足使用條件下應(yīng)盡量減小放電倍率或減少高倍率放電時間，以維持電池組較低溫度及其溫度場一致性。

(a) Tmax曲線 (b) ΔT曲線圖6 放電倍率對電池模塊Tmax和ΔT變化曲線

4 結(jié) 論

(1) 進(jìn)風(fēng)速度由0.5 m/s增至6 m/s，各模塊最高溫度和溫差減小，模塊之間最高溫度和溫差變化趨緩，表明電池組溫度場分布一致性更好。電池組最高溫度由321.79 K降至301.98 K，溫差由22.73 K降至7.56 K，分別下降了19.81 K和15.17 K。增大進(jìn)風(fēng)速能有效降低電池組最高溫度以及溫差，但是，達(dá)到一定風(fēng)速(2 m/s)后，這種散熱強化趨勢逐漸減弱。

(2) 進(jìn)風(fēng)溫度由298.15 K降至283.15 K，各模塊最高溫度減小，溫差變化很小，但模塊之間最高溫度和溫差變化較大。電池組最高溫度由308.44 K降至294.97 K，下降了13.47 K；溫差由8.56 K升至9.82 K，升高了1.26 K。降低進(jìn)風(fēng)溫度可有效降低電池組最高溫度，但對電池組溫度場一致性沒有明顯改善。

(3) 放電倍率由3C降至1C，各模塊最高溫度和溫差減小，模塊之間最高溫度和溫差變化隨之減小，表明電池組溫度場一致性更好。電池組最高溫度由327.29 K降至293.34 K，溫差由29.42 K 降至3.62 K ,分別下降了33.95 K和25.80 K。因此，在滿足使用條件下采用低放電倍率或減少高倍率放電時間可降低電池組最高溫度和提升電池組散熱性能。