鋰離子電池組散熱設(shè)計(jì)及送風(fēng)策略

尉孟濤 儲(chǔ)廣昕 張翔

摘 要：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了鋰離子電池1C倍率放電，20℃自然對(duì)流情況下的溫升特性。測(cè)得了20℃環(huán)境溫度下電池的充放電內(nèi)阻特性，并根據(jù)某品牌18650型鋰離子電池的物性參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)測(cè)得的內(nèi)阻數(shù)據(jù)建立了電池單體仿真模型，仿真計(jì)算了與實(shí)驗(yàn)同工況下的溫度分布情況，最大誤差4.9%。設(shè)計(jì)了一種包含480節(jié)電池的并行通風(fēng)空氣冷卻散熱結(jié)構(gòu)，并通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了進(jìn)出風(fēng)孔距電池的最小距離1mm，上擋板距離電池的最小距離1mm，下?lián)醢寰嚯x電池的最小距離1mm的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，使電池組的最大溫升下降了5.71℃，最大溫差降低了5.06℃。并基于最優(yōu)結(jié)構(gòu)給出了120s后每60s改變送風(fēng)方向的往復(fù)送風(fēng)策略，使電池組即使在40℃、2C放電的惡劣工況下也能夠工作在25℃-40℃，電池單體溫差5℃以下的工作環(huán)境中。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;仿真;電池組;優(yōu)化;往復(fù)送風(fēng)

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-22-04

Study on Heat Dissipation Structure and Strategy of Lithium Ion Battery^*

Yu Mengtao^{1，2，3}， Chu?Guangxin^1，2， Zhang?Xiang^1，2

（?1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology，?Tianjin?PolytechnicUniversity，?Tianjin 300387; 2.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System，Ministry of Education， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387;?3.Tianjin Key Laboratory of?OptoelectronicDetection Technology and Systems， Tianjin?Polytechnic?University， Tianjin 300387?）

Abstract：?The temperature rise characteristics of lithium-ion battery under 1C rate discharge and natural convection at 20℃?were studied. The internal resistance characteristics of the battery at 20℃?were measured. According to the physical parameters of a brand 18650 lithium-ion battery and the internal resistance data measured in the experiment， the cell simulation model was established. The temperature distribution under the same working condition as the experiment was simulated and calculated， and the maximum error was 4.9%. A parallel ventilation air cooling and heat dissipation structure with 480 batteries was designed， and optimized by orthogonal test. The optimal structure of the minimum distance between the air inlet and outlet holes， the minimum distance between the upper baffle plate and the battery， and the minimum distance between the lower baffle plate and the battery were obtained， which reduced the maximum temperature rise of the battery by 5.71℃?and the maximum temperature difference by 5.06℃. Based on the optimal structure， the strategy of changing the direction of air supply every 60s after 120s is given， which can make the battery work in the working environment of 25℃- 40℃?and the temperature difference of single cell below 5℃?even in the bad condition of 40℃?and 2C discharge.

Keywords：?Lithium ion battery; Simulation; Battery pack; Optimization; Reciprocating air supplyCLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）04-22-04

前言

經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，離不開能源的充分供給。然而隨著傳統(tǒng)能源消耗量的日益增加，環(huán)境危機(jī)也愈發(fā)嚴(yán)重。純電動(dòng)汽車的能量利用效率可高達(dá)90%^[1]，并且能夠?qū)崿F(xiàn)尾氣污染物的零排放，因此純電動(dòng)汽車是有望替代傳統(tǒng)燃油汽車的較佳選擇。電池組作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，其技術(shù)發(fā)展的成熟度就成為了制約純電動(dòng)汽車獲得廣泛普及的重要因素。鋰離子電池憑借其輸出功率大、能量密度高、無(wú)記憶性等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為了現(xiàn)階段車用電池組的首選^[2]。目前，鋰離子電池仍然存在著不可忽視的散熱問(wèn)題，必須使電池組內(nèi)所有單體的溫度控制在25～40°C之間，且各單體之間的溫差要求小于5°C^[3]，否則不僅會(huì)大大減小電池容量和循環(huán)壽命^[4]，過(guò)高的溫度還會(huì)引發(fā)爆燃、爆炸等危及行車安全的嚴(yán)重事故。因此，對(duì)鋰離子電池組實(shí)施合理的散熱設(shè)計(jì)，是電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段電池組的散熱主要分為液體冷卻系統(tǒng)、相變冷卻系統(tǒng)和空氣冷卻系統(tǒng)三種主要形式。其中，空氣冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)行過(guò)程中也無(wú)液體管路破損漏液和相變材料導(dǎo)熱差、形變大等額外風(fēng)險(xiǎn)。但由于空氣的冷卻強(qiáng)度較小，較易產(chǎn)生溫度過(guò)高和單體間溫差較大的問(wèn)題。

針對(duì)空氣冷卻系統(tǒng)上述問(wèn)題的改進(jìn)研究，目前主要集中在電池組的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化方面。RajibMahanmud等人^[5]以32節(jié)電池單體構(gòu)成的電池組為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種往復(fù)送風(fēng)式的空氣冷卻結(jié)構(gòu)，很大程度上降低了電池組的單體間溫差。JinhongXie等人^[6]在單因素分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)法優(yōu)化分析了含10節(jié)單體的電池組結(jié)構(gòu)，給出了一種考慮進(jìn)出風(fēng)角度和電池單體間距的最佳設(shè)計(jì)方案。

為了滿足車用電池組的體積能量密度提出的較高需求，本文將480節(jié)圓柱型鋰離子電池單體進(jìn)行密集排列。在實(shí)驗(yàn)測(cè)得電池單體中與熱學(xué)相關(guān)參數(shù)值的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元軟件仿真設(shè)計(jì)出一種滿足散熱要求的空氣冷卻結(jié)構(gòu)，并給出合理的送風(fēng)策略，從而保證高能量密度的電池組在惡劣工況下也能正常工作。

1 電池單體工作特性測(cè)量

本文選用某品牌的18650型動(dòng)力鋰離子電池作為研究對(duì)象，其標(biāo)稱電壓3.6V，放電終止電壓2.5V，標(biāo)稱容量2900mAh，最大放電電流10A。

1.1 電池放電溫升實(shí)驗(yàn)

整體實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1所示，在電池上下、左右、前后各粘結(jié)一個(gè)熱電偶探頭并連接好充放電設(shè)備，置入恒溫箱中，并使其處于自然對(duì)流狀態(tài)，將溫度設(shè)定為20℃，待各熱電偶探頭溫度穩(wěn)定后，對(duì)電池進(jìn)行1C倍率放電，為不損害電池，放電70%后放電終止。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，其中電池左端為1號(hào)點(diǎn)位，右端為2號(hào)點(diǎn)位，上端為3號(hào)點(diǎn)位，后端為4號(hào)點(diǎn)位，前端為5號(hào)點(diǎn)位，下端為6號(hào)點(diǎn)位，7、8號(hào)點(diǎn)位為環(huán)境溫度。從圖中可以看出，電池放電初期溫度增長(zhǎng)較快，隨著放電過(guò)程的進(jìn)行電池各個(gè)點(diǎn)位的溫度逐漸趨于平穩(wěn)。

1.2 電池充放電內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《PHEVs電池測(cè)試手冊(cè)》^[7]提供的HPPC實(shí)驗(yàn)（混合脈沖功率特性階躍法）方法測(cè)試電池充放電內(nèi)阻（包括焦耳內(nèi)阻和極化內(nèi)阻）與SOC的關(guān)系。

測(cè)試結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出不同0.3SOC-?1SOC狀態(tài)下，電池的充放電內(nèi)阻基本相同，隨著電量的減少內(nèi)阻大幅增加。

2 電池單體仿真模型建立

本文所選電池為18650型電池，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為卷繞式。但是對(duì)于電池組散熱研究，不需要關(guān)注電池單體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只注重于電池整體的發(fā)熱量。因此將電池單體進(jìn)行均質(zhì)化處理，等效為等體積的發(fā)熱單體，均質(zhì)化后電池的密度ρ=2672 kg·m^-3，徑向?qū)嵯禂?shù)k₁=1.513 W·（m·k）^?-1，軸向?qū)嵯禂?shù)k₂=?4.08W·（m·k）^?-1，密度c=0.7 kJ·（ kg·k）^-1[8]。

鋰離子電池的生熱主要包括副反應(yīng)熱、反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱等四部分，其中由于副反應(yīng)熱和反應(yīng)熱數(shù)值極小，因此可以忽略，只考慮焦耳熱和極化熱兩部分，根據(jù)公式（1）可計(jì)算出電池的功率。

（1）

式中I為放電電流，R為擬合后的放電內(nèi)阻，W為放電功率。

按照設(shè)定好的參數(shù)在ICEPAK中仿真電池單體20℃環(huán)境溫度、自然對(duì)流情況下1C倍率放電，選取仿真模型中對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)情況下的六個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示，從表中可以各點(diǎn)位溫度數(shù)據(jù)基本一致，由于實(shí)驗(yàn)條件所限很難使溫箱中的電池滿足自然對(duì)流的工況，最大誤差4.9%，在可接受范圍內(nèi)，模型基本可靠。

3 電池組模型建立及優(yōu)化

電池組初步選擇由480節(jié)電池組成，24節(jié)并聯(lián)，20組串聯(lián)，總標(biāo)稱電壓72V，總標(biāo)稱容量69.6Ah，通過(guò)組間串并聯(lián)，能夠滿足大多數(shù)汽車的要求。同時(shí)對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，必須在所有工況下都應(yīng)滿足電池組的溫度需求，因此電池組的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮最惡劣工況的情況，本文選取40℃環(huán)境溫度、電池2C高倍率放電的工況作為散熱結(jié)構(gòu)研究標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 電池組初步模型

電池組模型如圖4所示，采用并行送風(fēng)的送風(fēng)形式，電池組箱體尺寸為400mm×480mm×137mm，電池組至于整個(gè)箱體的中部，上下各25mm，上下進(jìn)出風(fēng)口為25mm×480mm的矩形，保證了電池組的受風(fēng)均勻性，有利于電池組的溫度均勻，擋板末端距離電池上端距離為0。這些尺寸的設(shè)計(jì)保證了電池組整體的體積最小。

由于電池組的最佳工作環(huán)境溫度范圍要求小于40℃，而環(huán)境溫度就已經(jīng)達(dá)到了40℃，同時(shí)電池的放電倍率達(dá)到2C的高倍率，這就需要一個(gè)較低的進(jìn)風(fēng)溫度和較高的進(jìn)風(fēng)風(fēng)速來(lái)保證電池組的工作環(huán)境的合理性，所以將進(jìn)氣溫度設(shè)定為27℃，進(jìn)氣風(fēng)速12m/s。

電池以2C倍率放電結(jié)束后（放電1260s），電池組的上下表面溫度分布如圖5所示，從圖中可以看出電池組最高溫升8.39℃，最大溫差13.96℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了合理的范圍。

3.2 電池組結(jié)構(gòu)優(yōu)化

保持電池組的工作狀況不變，綜合考慮出風(fēng)孔距電池的最小距離D₁，上擋板距離電池的最小距離D₂，下?lián)醢寰嚯x電池的最小距離D₃，最高溫升T₁，最大溫差T₂，設(shè)計(jì)三因素五水平的正交試驗(yàn)，如表2所示，為了盡量不增大過(guò)大的體積，其中1≤D₁≤3，1≤D₂≤5，1≤D₃≤5。為了減小計(jì)算成本，僅計(jì)算電池組前120s的溫度數(shù)據(jù)作為代表。

通過(guò)最大溫差和最大溫升的直觀分析，結(jié)果分別如表3，表4所示，可以看出能夠?qū)崿F(xiàn)最大溫升最低的組合是D₁=1mm，D₂=1mm，D₃=1mm，能夠?qū)崿F(xiàn)最大溫差最低的組合是D₁=1mm，D₂=1mm，D₃=5mm，但是考慮到體積因素，最終選擇選擇D₁=1mm，D₂=1mm，D₃=1mm作為最優(yōu)組合。

按照最優(yōu)組合對(duì)電池組進(jìn)行仿真，1260s電池組放電結(jié)束后，各時(shí)間節(jié)點(diǎn)最大溫升和最大溫升如表5所示，可以看出同未優(yōu)化之前相比，電池組最大溫升降低了5.71℃，最大溫差降低了5.06℃，電池組的工作環(huán)境得到了很大的改善，但是仍然不是最佳的溫度范圍。

4 往復(fù)送風(fēng)策略研究

從前文研究可知，電池組在120s后最大溫升和最大溫差超過(guò)了理想范圍，因此初步設(shè)置往復(fù)送風(fēng)策略為120s后每60s改變送風(fēng)方向的形式，即將原進(jìn)風(fēng)口改為出風(fēng)口，原出

風(fēng)口該為進(jìn)風(fēng)口。由于電池組最大溫升和最大溫差在760s后基本趨于穩(wěn)定，為減少計(jì)算成本，只計(jì)算前720s的溫度分布情況，結(jié)果如圖6所示，可以看出最大溫差以及最大溫升都呈現(xiàn)出波動(dòng)的趨勢(shì)，但是均處于合理范圍內(nèi)，電池組溫度場(chǎng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，能夠滿足電池組的工作環(huán)境需要。

5 結(jié)論

（1）本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了鋰離子電池的溫升特性，以及充放電內(nèi)阻特性，并根據(jù)電池物性參數(shù)以及實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)建立了電池單體仿真模型，并在相同工況下與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最大誤差小于5%，模型基本可靠。

（2）設(shè)計(jì)了一種包含480節(jié)鋰離子電池的電池組結(jié)構(gòu)，并通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了電池組箱體結(jié)構(gòu)，在保證體積增量最小的情況下，使電池組最大溫升下降了5.71℃，最大溫差降低了5.06℃。

（3）在最優(yōu)的電池組結(jié)構(gòu)下，制定了120s后每60s改變送風(fēng)方向的送風(fēng)策略，使得電池組能夠全程工作在理想環(huán)境中，保證了電池組的壽命，以及安全性。

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