21700圓柱鋰離子電池組風(fēng)冷散熱分析

張繼華，陳立沛，張洵濤，戴海燕

（華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車(chē)與交通工程學(xué)院，廣東廣州510800）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)經(jīng)濟(jì)與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題的日益重視，以及我國(guó)相應(yīng)的新能源購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼優(yōu)惠政策的實(shí)施，新能源電動(dòng)車(chē)逐漸進(jìn)入大眾的視野。在新能源電動(dòng)車(chē)的發(fā)展當(dāng)中，電池包的使用效率及使用壽命是極為關(guān)鍵的因素，因此越來(lái)越多的科研人員將時(shí)間與精力投入其中。

2015年，葛子敬等［1］建立電池組風(fēng)冷散熱結(jié)構(gòu)的三維模型，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法對(duì)電池組進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明了電池組在1C的放電倍率下，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)滿足電池組散熱要求；并且風(fēng)的流速是影響電池組散熱的重要原因，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)一定值時(shí)，散熱效率的提升率反而降低；同時(shí)，電池組的散熱效果也與周?chē)h(huán)境有關(guān)。2018年，李華偉和于晨晨［2］使用ANSYS Icepak軟件對(duì)電池箱進(jìn)行多工況下散熱效果建模，完成相應(yīng)的網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置和模擬計(jì)算，進(jìn)而研究電池組箱的設(shè)計(jì)是否可靠、散熱效果是否可靠、能否滿足電池組長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。2019年，楊潤(rùn)澤和程鑫［3］對(duì)電池包進(jìn)行設(shè)計(jì)以及熱分析，采用數(shù)值模擬方法對(duì)電池包的自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這兩種方式并不能較好地滿足電池包的散熱要求。據(jù)此設(shè)計(jì)了5種結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，通過(guò)CFD模擬發(fā)現(xiàn)在電池包中部設(shè)置開(kāi)口擋板能夠達(dá)到較好的散熱效果，溫度能夠降低6～8℃。

從以上文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池包的研究主要集中在電池包中電池單體的排列方式以及箱體的設(shè)計(jì)上面。但是對(duì)于電池包中單體電池的平行排列與交叉排列的排列方式溫度的變化，以及兩種排列方式的不同間距之間溫度的變化沒(méi)有詳細(xì)的數(shù)據(jù)來(lái)證明最優(yōu)排列方式。

特斯拉與松下共同建廠生產(chǎn)21700圓柱鋰電池單體，其能量密度能達(dá)到340 W·h／kg，其功能及實(shí)用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于18650，所以本文作者以21700單體電池為研究對(duì)象進(jìn)行電池組研究［4］，分析其使用過(guò)程中可行性。基于此，本文作者首先對(duì)21700電池單體在自然狀態(tài)下進(jìn)行充放電仿真計(jì)算，驗(yàn)證單體熱效應(yīng)的可行性，隨后對(duì)電池組進(jìn)行建模以及在COMSOL中對(duì)電池組排列方式、單體間距進(jìn)行仿真計(jì)算。

1 電池模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

考慮到汽車(chē)動(dòng)力電池組較大、研究時(shí)間較長(zhǎng)以及成本過(guò)大，因此選用單個(gè)電池模塊進(jìn)行研究，研究結(jié)果為動(dòng)力電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1.2 電池模塊各參數(shù)的計(jì)算和確定

根據(jù)電池包的設(shè)計(jì)進(jìn)行電池模組參數(shù)確定。

（1）電池模組單體數(shù)量。根據(jù)電池包總體電壓和容量確定電池模組的電壓與電量，從而確定單體的數(shù)量。經(jīng)計(jì)算得出單個(gè)電池模組由30和32節(jié)單體組成滿足設(shè)計(jì)需求，因此單體平行排列與交叉排列組成的電池模組均由30和32節(jié)單體組成。

（2）電池模組尺寸。單體排列間距對(duì)電池模組散熱性能有很大影響［5］，為滿足模組良好的散熱性能與實(shí)際加工需求，間距設(shè)定為2、4、6 mm。

經(jīng)計(jì)算單體平行排列的電池模組長(zhǎng)×寬×高的參數(shù)為：140 mm×117 mm×70 mm、 154 mm×129 mm×70 mm、 168 mm×141 mm×70 mm。

根據(jù)尺寸繪制設(shè)計(jì)的電池模塊三維模型如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)電池箱的三維結(jié)構(gòu)

2 電池包熱分析

2.1 物理模型建立

假定電池活性材料由一個(gè)或多個(gè)單電池組成，單電池螺旋纏繞在一起，形成柱狀，在熱模型中導(dǎo)熱系數(shù)表現(xiàn)為各向異性［6］，導(dǎo)熱系數(shù)沿電池高度方向比電池寬度方向高。

在電池的寬度方向，導(dǎo)熱系數(shù)kT，r可以根據(jù)公式 （1）計(jì)算：

其中：Li為單電池不同層的厚度；kT，r為構(gòu)成電池層材料的系數(shù)。

圓柱電池高度方向?qū)嵯禂?shù)kT，ang計(jì)算依據(jù)為

電池活性材料的密度ρbatt和比熱容Cp，batt計(jì)算依據(jù)為

2.2 數(shù)值計(jì)算

設(shè)置單體充放電倍率為5C，以持續(xù)充放電循環(huán)方式進(jìn)行仿真計(jì)算，循環(huán)周期為600 s，1 500 s時(shí)單體充放電倍率為0，處于無(wú)放電空氣對(duì)流冷卻狀態(tài)，充放電倍率為7.5C，在單體表面，使用傳熱系數(shù)h＝20 W／（m2·K）和外部溫度298.15 K指定熱通量邊界條件，設(shè)定298.15 K為單體初始溫度。

2.3 結(jié)果與分析

單體三維溫度仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示，為21700鋰電池在室溫298.15 K、以5.0C的充放電速率進(jìn)行充放電仿真結(jié)果，圖中顯示單體在1 500 s時(shí)電池罐的溫度［7］，在石墨電極出現(xiàn)最高溫，溫度主要集中在電池中心的電池活性材料上，最高溫度出現(xiàn)在電池活性材料中間位置。

圖2 單體三維溫度分布圖

對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行整理，圖3為單體循環(huán)充放電溫升圖，可得出單體在循環(huán)充放電過(guò)程中溫度呈上升趨勢(shì)：0～600 s充放電循環(huán)中單體溫度上升幅度較大，電池包溫度迅速上升；600～1 200 s溫度上升幅度相對(duì)較?。辉谶M(jìn)行充放電切換時(shí)單體溫度小幅度下降，隨后上升；在t＝1 500 s處單體充放電倍率為0，在冷卻風(fēng)作用下溫度大幅度下降。

圖3 單體循環(huán)充放電溫升曲線

圖4、圖5、圖6分別表示平行排列間距為2、4、6 mm時(shí)電池組溫度分布云圖，可知靠近進(jìn)風(fēng)口的單體與靠近電池箱邊緣的單體溫度低，靠近出風(fēng)口的單體與靠近電池箱中部單體溫度高，間距2 mm時(shí)最高溫度為306.57 K，間距4 mm時(shí)最高溫度為305.57 K、間距6 mm時(shí)最高溫度為305.27 K，可以明顯看出隨著電池單體間距的增加，電池包最高溫度逐漸減低。

圖4 平行排列間距2 mm溫度分布云圖

圖5 平行排列間距4 mm溫度分布云圖

圖6 平行排列間距6 mm溫度分布云圖

可以看出：靠近進(jìn)風(fēng)口位置的單體溫度幾乎與初始溫度相等，熱量向出風(fēng)口的位置擴(kuò)散，造成靠近出風(fēng)口位置單體散熱效果不如靠近進(jìn)風(fēng)口位置的單體，使單體間溫度差加大。

平行排列冷卻風(fēng)在單體之間和單體與電池箱的邊界間隙流動(dòng)，在間隙位置流速較快，冷卻風(fēng)流經(jīng)電池組上下間隙的流速比中間間隙快，左側(cè)第一列單體與冷卻風(fēng)接觸面積大，冷卻效果更好，其余單體只有上下兩側(cè)與冷卻風(fēng)接觸，接觸面積小，熱對(duì)流換熱較差，散熱效果不佳。

分析平行排列電池組不同單體間距時(shí)電池組溫度上升情況。可看出，單體間距不斷加大電池組冷卻效果得到改善，其中間距2與4 mm的溫度在0～300 s之間幾乎相同［8］，溫度差距不明顯，之后的充放電循環(huán)中溫度差距變大。

圖7、圖8、圖9為單體不同間距交叉排列溫度分布云圖，可知：間距為2 mm的電池包最高溫度達(dá)到306.02 K，間距為4 mm的電池包最高溫度達(dá)到305.08 K，間距為6 mm的電池包最高溫度達(dá)到304.36 K。

圖7 交叉排列間距2 mm溫度分布云圖

圖8 交叉排列間距4 mm溫度分布云圖

圖9 交叉排列間距6 mm溫度分布云圖

對(duì)交叉排列電池組不同間距的分析得不同間距的溫度情況，結(jié)果與平行排列相似，隨著單體間距增加電池組散熱性能變強(qiáng)，電池組工作溫度降低，電池組的一致性得到改善。

如圖10所示：圖中有單體平行排列，間距為2、4、6 mm溫升曲線，也有單體交叉排列，間距為2、4、6 mm溫升曲線。將平行與交叉不同間距溫升數(shù)據(jù)整合在一起［9］。在排列方式相同的情況下，隨著間距的增加，溫度逐漸降低，大約每增加2 mm，溫度降低0.5 K；間距相同時(shí)，平行排列比交叉排列降溫效果更明顯，所達(dá)到的溫度值較低［10］。在混合對(duì)比之下發(fā)現(xiàn)單體間距為2 mm時(shí)用交叉排列方式電池組散熱性能比間距為4 mm單體平行排列好，間距為4 mm時(shí)單體交叉排列電池組散熱效果比平行排列下單體間距為6 mm好，進(jìn)一步說(shuō)明單體交叉排列散熱性能比平行排列更佳。

交叉排列與平行排列相比，電池包所達(dá)到最高溫度較低，冷卻風(fēng)流經(jīng)電池組時(shí)在上下兩間距分布密集，流速比其他間隙快，單體與電池箱邊界的距離大的位置冷卻風(fēng)分布稀疏，電池組單體表面都能與冷卻風(fēng)接觸，接觸面積大，對(duì)流散熱效果好。

從電池組最高溫度和最低溫度分布圖可以得出：?jiǎn)误w交叉排列時(shí)電池組最高溫度和最低溫度都比平行排列時(shí)小，電池組單體之間溫差減小，均一性增強(qiáng)，且單體間距設(shè)置為6 mm時(shí)電池組最高溫度最低，電池組散熱性能最佳。在單體交叉排列間距為2 mm時(shí)電池組最大溫差為4.41 K，同單體平行排列間距2 mm電池組最大溫差4.91 K相比降低0.5 K，進(jìn)一步說(shuō)明單體交叉排列比平行排列電池組散熱效果更好。

圖10 單體平行與交叉不同間距溫升

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)21700圓柱鋰電池單體組成的電池組進(jìn)行仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)電池組內(nèi)部單體按平行與交叉兩種排列方式進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)比內(nèi)部數(shù)據(jù)，交叉排列方式電池組最高溫度比平行排列溫度低，說(shuō)明了單體交叉排列電池箱一致性比平行排列的更佳。

（2）對(duì)兩種排列的電池箱內(nèi)部單體間距仿真分析，當(dāng)設(shè)定單體間距為2、4、6 mm時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著間距的增大，單體間距在6 mm時(shí)電池組最高溫度最低，一致性更好。