21700鋰離子電池風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱效果研究

0 引言

鋰離子電池(LIB)是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心，其性能在很大程度上影響著電動(dòng)汽車的行駛里程和使用壽命

。在決定電池性能的眾多因素中，溫度對(duì)電池的影響不容小覷

，有效的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以合理的控制電池運(yùn)行中的溫度變化

。

風(fēng)冷散熱作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低的電池?zé)峁芾砩岱绞剑壳叭詾槎鄶?shù)電池包首選的熱管理方式。張新強(qiáng)等

通過數(shù)值仿真的方式探討了增設(shè)通風(fēng)孔對(duì)電池包散熱效果的影響，為電池?zé)峁芾淼膬?yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。袁征等

利用CFD仿真方法，研究了進(jìn)風(fēng)速度、進(jìn)風(fēng)口傾斜角度與電池間距對(duì)鋰離子電池包的散熱影響。李康靖等

利用CFD軟件研究了風(fēng)冷散熱對(duì)18650電池包散熱效果，并設(shè)計(jì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速達(dá)到4m/s時(shí)，電池組最高溫度較低，滿足設(shè)計(jì)要求。張繼華等

以風(fēng)冷散熱方式，對(duì)21700電池排布方式以及電池間距進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，電池交叉排布，間距為6mm時(shí)，散熱效果較好。

D800與D800E的最大區(qū)別就是在低通濾鏡上的不同，除此以外完全相同。D800E的低通濾鏡沒有低頻通過（Low-pass）功能，其原理是組成低通濾鏡的三片玻璃中的第三塊玻璃把過濾效果復(fù)原，相當(dāng)于沒有過濾。而D800的低通濾鏡則具有低頻通過功能，可以解決色彩干擾或摩爾紋出現(xiàn)的問題。從專業(yè)攝影師最關(guān)心的畫質(zhì)上分析，D800E的解像力是要明顯高于D800。D800去除摩爾紋的功能，付出的代價(jià)就是犧牲了部分畫質(zhì)。結(jié)合前面的分析，我建議專業(yè)人像攝影師選擇D800E，因?yàn)楫吘谷粘Ｈ讼衽臄z中出現(xiàn)摩爾紋的情況很少，而且即便遇到也可以在后期使用軟件處理得很好，換來的卻是更高、更銳利的畫質(zhì)。

本文分別設(shè)計(jì)三種風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，分別為單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)、進(jìn)口垂直結(jié)構(gòu)與進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)，對(duì)21700三元鋰離子電池交叉排布組成電池包進(jìn)行風(fēng)冷散熱仿真分析。

按照管材選擇原則，對(duì)比PCCPL、DIP、SP三種管材的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，確定主管材采用PCCPL及DIP。穿越鐵路采用混凝土箱涵，內(nèi)套SP；穿越高速公路、國(guó)道省道采用混凝土頂管，內(nèi)套SP；穿越縣級(jí)公路，挖槽鋪設(shè)SP，管頂設(shè)置混凝土墊層；穿越堤防，SP外包鋼筋混凝土；穿越河渠，明挖敷設(shè)，當(dāng)渠底長(zhǎng)小于20 m采用SP，大于20 m采用PCCPL或 DIP。同時(shí)在穿越建筑物和管道彎折處選用SP連接。

1 單體電池溫升試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)搭建

根據(jù)本文溫升試驗(yàn)條件，設(shè)置仿真環(huán)境溫度為25℃，模擬恒溫箱中低空氣對(duì)流，設(shè)置空氣對(duì)流系數(shù)為0.2W/m

K。分別進(jìn)行1C、2C不同放電倍率工況下的單體鋰離子電池?zé)岱抡嬗?jì)算，生熱速率1C倍率放電為30955.5W/m

，2C倍率放電為81633W/m

，根據(jù)上文公式計(jì)算電池各項(xiàng)物化參數(shù)如表2所示。

由圖14可以看出，電池最高溫度較單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)下降約0.6℃，對(duì)電池包最高溫度亦有較強(qiáng)的抑制作用。電池溫度梯度沿45°方向分布。與單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)相同，溫度最高電池靠近出風(fēng)口處，其次進(jìn)風(fēng)口處電池溫度較高，中間帶電池溫度較低。觀察其風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖可知，最高風(fēng)速約為36.3m/s，集中于梯度分布的中間部分。該結(jié)構(gòu)電池包最大溫差約為2.83℃，略高于單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

建立的21700電池幾何模型與網(wǎng)格劃分如圖6所示，幾何模型按照所研究對(duì)象尺寸建立，直徑為21mm，高度為70mm。對(duì)該模型采用多面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為3068。

每節(jié)電池采用2C倍率放電，生熱速率設(shè)置為81633W/m

，冷卻空氣溫度為25℃，密度為1.225kg/m

，比熱容為1006J/(kg·K)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.02142W/(m·K)，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速設(shè)置為5m/s。

2 單體熱仿真

2.1 電池幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖5為1C和2C放電倍率下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線，從圖中可以看出，在1C倍率放電時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)熱較少，溫升較為平緩，最高表面溫度為33.9℃；2C倍率放電時(shí)，電池內(nèi)部產(chǎn)熱較多，溫升速率增大，最高表面溫度為52.7℃，遠(yuǎn)超電池最佳工作溫度40℃，不利于電池性能及安全。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

本文主要進(jìn)行環(huán)境溫度為25℃，電池在1C和2C放電倍率下的表面溫升試驗(yàn)。研究對(duì)象是圖1所示的21700圓柱電池，其具體參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)系統(tǒng)中的恒溫箱采用的是如圖2所示的浙江紹興燕飛儀器公司202-0A型；電子負(fù)載采用的是如圖3所示的奧勒夫公司的大功率電子負(fù)載。電池表面溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖4所示，T1為負(fù)極溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，T2為正極溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，T3為中間溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.3 仿真結(jié)果分析及模型驗(yàn)證

電池排布結(jié)構(gòu)如圖10所示，電池共30節(jié)，每列5節(jié)共6列，每列交叉排布，電池間間距為6mm。圖11為電池包結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格劃分示意圖，在電池上下位置添加約2mm蓋板，對(duì)該結(jié)構(gòu)采用多面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為377878。

3 電池組立體式風(fēng)冷散熱分析

3.1 電池排布方式

圖7和圖8分別為1C與2C倍率下的電池溫度分布云圖。從圖7可以看出，電池正負(fù)極處溫度較高，中間溫度較低，溫差約為0.9℃。從圖8可以看出，電池正極處溫度較高，其次為負(fù)極，電池中間表面溫度最低，溫差約為1.4℃。圖9 為T1監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度變化仿真與試驗(yàn)對(duì)比曲線，從圖中可以看出，仿真與試驗(yàn)溫度變化大體相同，最大誤差出現(xiàn)在2C倍率放電時(shí)，約為3.5%，滿足工程應(yīng)用中低于5%的要求，仿真模型精度較好。

3.2 風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖12為三種風(fēng)冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別為單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)、進(jìn)口垂直結(jié)構(gòu)與進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)。第一種單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)，冷卻空氣從電池包正面流入，從后側(cè)流出。第二種進(jìn)口垂直結(jié)構(gòu)，冷卻空氣分別從電池包正面和左側(cè)流入，從后側(cè)與右側(cè)流出。第三種進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)，冷卻空氣分別從電池包正面與后側(cè)流入，從左側(cè)與右側(cè)流出。

3.3 仿真結(jié)果分析

上一次來看樟樹是春天。很多鳥站在枝上，唧唧喳喳，雖然沒有聽懂，但它們的樣子分明有一種按捺不住的歡喜，往來穿梭，飛去又飛來，似乎在做某種我們?nèi)祟悷o法參與的游戲?，F(xiàn)在，只剩寥寥數(shù)只，它們謹(jǐn)言慎行，偶爾念短促的句子，然后如子彈一般射向天空。

小組學(xué)習(xí)、學(xué)生課堂、課外訓(xùn)練都是以學(xué)生為主體，但由于其形式和過程不同，教師可以看到學(xué)生學(xué)習(xí)過程中更加豐富的表現(xiàn)，利于開展學(xué)生知識(shí)、技能、情意的多維度評(píng)價(jià)。另外，小組學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)為學(xué)生提供了課外共同學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，雖然組內(nèi)成員主動(dòng)學(xué)習(xí)的表現(xiàn)有差異，但是共同學(xué)習(xí)時(shí)優(yōu)秀組員的榜樣作用是一直存在的，而且長(zhǎng)期的共同學(xué)習(xí)更利于其他組員模仿優(yōu)秀組員的行為，也為學(xué)生間相互評(píng)價(jià)創(chuàng)造了條件。多種學(xué)習(xí)方式還促進(jìn)了學(xué)生職業(yè)崗位勝任力提升，實(shí)驗(yàn)組多項(xiàng)崗位勝任力平均分為良好，達(dá)到了課程教育目標(biāo)，強(qiáng)化了課程內(nèi)涵建設(shè)。

各風(fēng)冷結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果如圖13、圖14和圖15所示。由圖13可以看出，電池最高溫度下降明顯，最大下降約為24.54℃，該結(jié)構(gòu)對(duì)電池包最高溫度抑制較為明顯；靠近出風(fēng)口的對(duì)電池溫度最高，其次是靠近進(jìn)風(fēng)口的電池，電池包中心處電池溫度最低。觀察其風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖可知，電池包中心處風(fēng)速較快，約為19.7m/s，空氣對(duì)流換熱速率較高，所以電池包中心處電池溫度較低，而在進(jìn)口與出口處風(fēng)速較慢，約為5m/s，空氣對(duì)流換熱速率較低，所以進(jìn)口處與出口處電池溫度較高。該結(jié)構(gòu)電池包最大溫差約為2.45℃。

這兩臺(tái)機(jī)組均為1000 MWe壓水堆，分別于1973年6月和1976年4月首次并網(wǎng)發(fā)電，根據(jù)最初的運(yùn)行許可證可分別運(yùn)行至2013年和2015年。運(yùn)營(yíng)商安特吉核運(yùn)營(yíng)公司(Entergy Nuclear Operations)2007年4月提交這兩臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行許可證換發(fā)申請(qǐng)。鑒于安特吉在最初許可證到期前5年就提交了申請(qǐng)，因此，盡管當(dāng)時(shí)沒有正式批準(zhǔn)這兩臺(tái)機(jī)組延壽，核管會(huì)允許這兩臺(tái)機(jī)組在最初的運(yùn)行許可證失效后繼續(xù)在“及時(shí)換發(fā)”(timely renewal)的模式下運(yùn)行。

由圖15可以看出，電池最高溫度較單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)降低約0.28℃，較進(jìn)口垂直結(jié)構(gòu)上升約0.34℃，對(duì)電池包最高溫度抑制作用處于二者之間。電池溫度分布為靠近進(jìn)風(fēng)口處電池溫度較高，靠近出風(fēng)口處電池溫度較低。由其風(fēng)場(chǎng)速度矢量圖可知，出口處風(fēng)速較高，最大風(fēng)速約為18.9m/s，最大風(fēng)速在三種結(jié)構(gòu)中最低，接近單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)風(fēng)速。該結(jié)構(gòu)電池包最大溫差約為1.2℃，在三種結(jié)構(gòu)中溫度一致性最好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以CFD仿真方法對(duì)21700電池單體發(fā)熱與三種風(fēng)冷結(jié)構(gòu)對(duì)電池包散熱效果進(jìn)行的分析，得出以下結(jié)論：

(1)21700圓柱形三元鋰離子電池在2C放電時(shí)，溫升較快，最高溫度較高達(dá)到51.8℃，對(duì)該電池2C放電倍率下溫度控制顯得尤為重要。

(2)三種風(fēng)冷結(jié)構(gòu)中，進(jìn)口垂直結(jié)構(gòu)對(duì)電池包最高溫度的抑制作用最強(qiáng)，其次是進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)，單進(jìn)單出結(jié)構(gòu)最弱。

(3)進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)電池包溫度一致性最好，綜合三種結(jié)構(gòu)對(duì)電池包最大溫度抑制作用差距較小，認(rèn)為進(jìn)口相對(duì)結(jié)構(gòu)為最適宜該種電池與電池排布風(fēng)冷結(jié)構(gòu)。

[1]Mohammed A H, Esmaeeli R, Aliniagerdroudbari H, et al. Dual-purpose cooling plate for thermal management of prismatic lithium- ion batteries during normal operation and thermal runaway. Appl. Therm. Eng. 2019, 160, 114106.

[2]Zhang T S, Gao Q, Wang G H. Investigation on the promotion of temperature uniformity for the designed battery pack with liquid flow in cooling process [J]. Applied Thermal Engineering, 2017, 116: 655-662.

[3]陳楨. 鋰離子動(dòng)力電池包熱力學(xué)分析與熱管理研究[D]. 中山：中山大學(xué)，2017.

[4]張新強(qiáng)，洪思慧，汪雙鳳. 增設(shè)通風(fēng)孔的風(fēng)冷式鋰離子電池?zé)峁?理系統(tǒng)數(shù)值研究[J].新能源進(jìn)展，2015，3(6)：422-428.

[5]袁征,趙津,韓磊. 風(fēng)冷鋰離子電池包的熱仿真[J].電池,2019,49(03):208-211.

[6]李康靖,譚曉軍,褚燕燕,范玉千. 風(fēng)冷式車用鋰離子動(dòng)力電池包熱管理研究[J].電源技術(shù),2019,43(12):1975-1978+2035.

[7]張繼華,陳立沛,張洵濤,戴海燕. 21700圓柱鋰離子電池組風(fēng)冷散熱分析[J].汽車零部件,2020(04):12-15.

[8]Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A General Energy Balance for Battery Systems[J]. Journal of The Electrochemical Society,1985,132(1):5-12.

[9]陳祎. 基于熱管理的液冷鋰動(dòng)力電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].重慶理工大學(xué),2020.DOI:10.27753/d.cnki.gcqgx.2020.000364.