來源：網(wǎng)絡(luò)
在當(dāng)今眾多種類的電池中，鋰離子電池作為電池的代表之一，因具有體積小、能量密度高、使用壽命較長(zhǎng)、自放電率較低及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛使用。但鋰離子電池產(chǎn)熱較多，電池包內(nèi)易形成熱量累積導(dǎo)致電池各單元的性能和壽命受損，甚至發(fā)生熱失控[1]。為防止這些情況的發(fā)生，需要對(duì)電池包進(jìn)行散熱以保證電池工作在正常溫度范圍內(nèi)。散熱系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)可分為：氣體冷卻、液體冷卻及相變材料冷卻。其中氣體冷卻相對(duì)于其他冷卻方式，成本相對(duì)低廉，應(yīng)用范圍更廣。本研究所建立的仿真模型以氣體做冷卻介質(zhì)，考察結(jié)構(gòu)內(nèi)冷卻風(fēng)道串行、并行、串并結(jié)合條件下的冷卻效果。
1 電池生熱機(jī)理
已有眾多學(xué)者對(duì)電池整體結(jié)構(gòu)與散熱效能進(jìn)行過研究，Park等[2]對(duì)串行通風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括電池個(gè)體間距、排列方式進(jìn)行研究，認(rèn)為“電池扁平式排列耗能最小”。Mahamud等[3]設(shè)計(jì)循環(huán)冷卻結(jié)構(gòu)，避免了進(jìn)出口氣體溫度存在較大溫差問題。常國(guó)鋒等[4]研究了進(jìn)風(fēng)口角度對(duì)電池散熱的影響。Liu等[5]建立壓力損失方程，提出并行結(jié)構(gòu)的計(jì)算方式，并研究了風(fēng)道結(jié)構(gòu)、電池個(gè)體間距對(duì)散熱效果的影響。
仿真模型以圓柱形電池為基本單元，電池組是多個(gè)單體串并聯(lián)組成。一個(gè)大型電池包，包含電池單體的數(shù)量較多，自身體積較大。由于在使用時(shí)總體發(fā)熱功率較大，傳熱距離過長(zhǎng)，容易導(dǎo)致熱量在有限空間內(nèi)累積，產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失，電池溫度顯著升高，如果熱量產(chǎn)生速率超過散熱速率，則有熱失控的危險(xiǎn)[6]。
熱量產(chǎn)生和耗散率之間的平衡見圖1[7]。通常認(rèn)為，T0為電池溫度穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)，T1為溫度非穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)，溫度T在T1以下，則散熱強(qiáng)度強(qiáng)于生熱強(qiáng)度，如果持續(xù)這種狀態(tài)，則溫度最終會(huì)降至平衡點(diǎn)T0；如果溫度T在T1以上生熱強(qiáng)度強(qiáng)于散熱強(qiáng)度，則溫度最終會(huì)不斷升高，電池也將面臨熱失控，最終達(dá)到著火點(diǎn)T2，故稱T1為熱失控的起點(diǎn)。鋰離子電池的正常工作溫度應(yīng)在50 ℃以下，Todd M. Bandhauer等[8]驗(yàn)證了當(dāng)電池溫度超過50 ℃時(shí)，電池可恢復(fù)的容量就會(huì)減少。另外考慮到電池包內(nèi)若干電池的放電一致性，單體電池溫度差不應(yīng)在6 ℃以上[9]。
鋰離子電池放電過程中主要產(chǎn)生四部分熱量，如式(1)所示：
式中：Qr為反應(yīng)熱；Qp為極化熱；Qs為分解熱；Qj為焦耳熱。但在實(shí)際電池工作過程中，由于分解熱在熱量中所占比重較低，可將Qs忽略不計(jì)。極化熱和焦耳熱可采用等效電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量進(jìn)行替代，故可將電池反應(yīng)產(chǎn)熱量公式簡(jiǎn)化為：
式中：R為電池內(nèi)阻，R=Rz+Rp(其中Rz為電池本身的歐姆電阻，Rp為極化反應(yīng)內(nèi)阻)；I為電池充放電時(shí)電流的大小；t為電池充放電時(shí)間。Bernadi[10]假設(shè)電池體內(nèi)產(chǎn)熱量均勻分布，并建立一種經(jīng)典的電池生熱模型。
式中：q為電池產(chǎn)熱量；Vb為電池的體積；I為充電電流，充電為正，放電為負(fù)；E為電池單體電壓；E0為電池單體開路電壓；T為溫度；dE0/dT是溫度系數(shù)；(E－E0)為焦耳熱部分；
為可逆反應(yīng)熱部分。根據(jù)上述公式及電池組熱特性的參數(shù)，即可估算出不同放電倍率下電池的產(chǎn)熱率。
單體電池及電池包的熱活動(dòng)是影響其性能的關(guān)鍵部分，高倍率放電情況已不容忽視，特別是用電設(shè)備所使用的電池包一般在密閉情況下工作，缺少高效的外部散熱方式，存在散熱等諸多問題，故本文以圓柱鋰離子電池作為研究對(duì)象，基于ANSYS FLUENT仿真平臺(tái)，建立8串5并的電池包三維散熱模型，研究其熱特性及換熱條件下的溫度分布情況。
2 散熱過程仿真
2.1 創(chuàng)建模型
模型擬用圓柱形鋰離子電池，給定的單體電池參數(shù)見表1。
為提高模型收斂性和參考性，設(shè)定的理想條件如下：
(1)電池內(nèi)部材料均無差別，熱物理參數(shù)不隨溫度和荷電狀態(tài)的改變而改變；
(2)忽略微量產(chǎn)生的分解熱、輻射熱的影響；
(3)電池單體發(fā)熱均勻且放電倍率設(shè)為恒定值，電池假設(shè)為穩(wěn)定的熱源體；
(4)電池模型的放電溫度比充電溫度高，所以在散熱仿真時(shí)只考慮放電過程；
(5)將空氣的物理參數(shù)設(shè)為不隨溫度而變化，密度為1.225 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.024 2 W/(m·K)，比熱容為1.006 43kJ/(kg·K)；
(6)圓角，安裝孔，螺紋孔等微小影響不予考慮。
電池包的標(biāo)稱容量為15 Ah，內(nèi)阻400 mΩ，標(biāo)稱電壓12.8 V，放電電流為15 A。鋰離子電池工作溫度范圍在充電時(shí)為 0~55 ℃，放電時(shí)為－10~60 ℃。
模型由40個(gè)單體電池組成8串5并的電池包，各個(gè)電池間距2 mm，風(fēng)道總長(zhǎng)度為373 mm，寬度為156.5 mm，厚度為3 mm，進(jìn)風(fēng)口尺寸為45.6 mm×150.5 mm，出風(fēng)口尺寸為35 mm×130.5 mm，整個(gè)電池組工作在半密閉環(huán)境中。仿真研究假設(shè)各個(gè)電池產(chǎn)熱速率相同。風(fēng)道整體結(jié)構(gòu)見圖2。
2.2網(wǎng)格劃分
模型在建模仿真前需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，采用四面體網(wǎng)格，該網(wǎng)格對(duì)不規(guī)則物體進(jìn)行劃分后有利于殘差收斂。圖3為模型中部的縱向網(wǎng)格截面圖。由圖可見模型均被四面體單元網(wǎng)格劃分。出風(fēng)口位置的空氣域的網(wǎng)格劃分較為密集，有利于保證計(jì)算精度。網(wǎng)格劃分的總單元數(shù)量為2 409 714，節(jié)點(diǎn)數(shù)為584 905。
2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
進(jìn)風(fēng)口傾角的改變可以不同程度上改變流場(chǎng)均勻性，但在氣體的進(jìn)風(fēng)口側(cè)，特別是上層電池的進(jìn)風(fēng)口側(cè)，其周圍氣體流速相對(duì)較低，這是由于氣體進(jìn)風(fēng)口側(cè)空氣靜壓較大，氣體在垂直方向上壓差較小造成的。所以，考慮增大進(jìn)風(fēng)口傾角進(jìn)而增加進(jìn)風(fēng)口側(cè)壓差來增加氣體流量，但進(jìn)風(fēng)口傾角的不同關(guān)系到風(fēng)道體積的差異。為探究進(jìn)風(fēng)口角度對(duì)電池散熱的影響，設(shè)置進(jìn)風(fēng)口與水平夾角4°～14°，逐一進(jìn)行仿真。主要取4°，8°，12°三個(gè)模型表現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口的角度變化趨勢(shì)，見圖4。
11組數(shù)據(jù)分別采集自電池包中工作在相同倍率，相同風(fēng)速下的電池單體的最高和最低溫度，見圖5。從圖中可以看出電池溫度隨進(jìn)風(fēng)口角度的增大而減小。在4°~14°進(jìn)風(fēng)口角度增大時(shí)，每增加1°風(fēng)道體積增大約7 791.054 mm3。隨風(fēng)道體積的增大，風(fēng)道占用的空間及材料消耗越大。
表2中，進(jìn)風(fēng)口傾角在9°～10°時(shí)電池單體最高溫度減少2.8 K，10°與11°的差值為0.7 K，在角度繼續(xù)增大后溫度變化不明顯，且均小于1 K。基于對(duì)風(fēng)道體積的考慮，大于10°的進(jìn)風(fēng)角不宜選用，故選擇進(jìn)風(fēng)口10°為仿真模型的進(jìn)風(fēng)口傾角。
在風(fēng)道設(shè)計(jì)中為進(jìn)一步增加風(fēng)道的散熱能力，增加氣體與電池間的換熱速率，減小隨氣體進(jìn)入風(fēng)道深度帶來的氣體溫度升高的影響，對(duì)風(fēng)道兩側(cè)添加輔助散熱孔組，增強(qiáng)風(fēng)道后端及兩側(cè)邊緣電池的換熱效果。其尺寸為40 mm×5 mm，每側(cè)設(shè)置9個(gè)散熱孔，并對(duì)左側(cè)、右側(cè)及雙側(cè)散熱孔組開閉共四種情況進(jìn)行仿真對(duì)比。圖6中，圖中散熱孔著重加黑標(biāo)識(shí)，從左至右依次為左側(cè)孔組打開，右側(cè)孔組打開，雙側(cè)孔組關(guān)閉，雙側(cè)孔組打開的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)速度云圖。出風(fēng)口速度最大的是雙側(cè)孔組打開時(shí)，速度為8 m/s，比雙側(cè)孔組關(guān)閉時(shí)增加了1.6 m/s，增加了氣體在風(fēng)道內(nèi)的流速。
圖7中，雙側(cè)散熱孔組關(guān)閉時(shí)，電池包內(nèi)單體最高溫度為309.2 K，最低溫度為304.6 K；左側(cè)散熱孔組打開，電池包內(nèi)單體最高溫度為306.4 K，最低溫度為299.6 K；右側(cè)散熱孔組打開，單體最高溫度為306.2 K，最低溫度為299.3 K，左、右側(cè)散熱孔組溫度差異不明顯，但對(duì)風(fēng)道散熱能力有一定提高；雙側(cè)散熱孔組打開時(shí)，電池包內(nèi)單體最高溫度為303 K，最低溫度為297.2 K，提高了風(fēng)道的散熱能力。由仿真結(jié)果可以得出：在風(fēng)道中增加輔助散熱孔組，可以增強(qiáng)風(fēng)道散熱能力。
由風(fēng)道結(jié)構(gòu)可知，氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入風(fēng)道時(shí)，風(fēng)道自身存在一定角度，導(dǎo)致進(jìn)入風(fēng)道的氣體體積被壓縮，近出風(fēng)口處氣體流速快，換熱速率高，近進(jìn)風(fēng)口處氣體流速慢，換熱速率低。為改善氣體體積壓縮后造成風(fēng)道內(nèi)流速差異較大，氣體和電池表面換熱不均的情況，因此采用添加氣體引流板的方式。針對(duì)該模型設(shè)置了去除引流板，后置引流板和前置引流板三組仿真。圖8(a)中，在去除引流板時(shí)，電池單體最高溫度為306.2 K，最低溫度為297.2 K，最大溫差為9 K；后置引流板見圖8(b)，引流板在圖中已著重加黑標(biāo)識(shí)，仿真后得到電池單體最高溫度為307.5 K，最低溫度為299.5 K，最大溫差為8 K；前置引流板見圖8(c)，仿真后得到電池單體最高溫度為303 K，最低溫度為297.1 K，最大溫差為5.9 K。由數(shù)據(jù)可知，添加氣體引流板對(duì)電池溫度均勻性有一定改善，前置氣體引流板相對(duì)于后置氣體引流板更有助于氣體在風(fēng)道內(nèi)的分流，減小流速差異進(jìn)而減小換熱差異。
3 仿真結(jié)果分析
電池在處于流體散熱狀態(tài)下，不僅有電池內(nèi)部導(dǎo)熱的過程，還有電池表面與外部空氣對(duì)流換熱的過程。因此該電池模型屬于流固耦合傳熱模型。電池模組在雷諾數(shù)低于2 300時(shí)的流體環(huán)境下?lián)Q熱，應(yīng)選擇層流模型；電池模組在雷諾數(shù)高于4 000時(shí)的強(qiáng)制對(duì)流環(huán)境下?lián)Q熱，應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍流動(dòng)能k和耗散率ε方程如下：
式中：μt為湍動(dòng)粘度；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率；Gk為由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓縮湍動(dòng)能脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響。
電池表面溫度合理并滿足工作溫度需求是衡量熱設(shè)計(jì)成功的因素之一。仿真計(jì)算可以獲得在電池工作時(shí)電池溫度的變化過程與趨勢(shì)，可以模擬近似實(shí)際工況的溫度變化。給定入口處流體溫度為20 ℃，模擬電池工作在本文設(shè)計(jì)的風(fēng)道模型下，電池表面換熱系數(shù)202.4 W/(m2·K)，并分別設(shè)置為1 C、5 C、10 C倍率下放電，仿真計(jì)算后溫度場(chǎng)圖見圖9。電池在1 C倍率放電時(shí)，由于發(fā)熱量較小，進(jìn)出口流體溫度對(duì)電池發(fā)熱影響不是很大。圖9(c)中，電池在5 C倍率放電時(shí)，電池最高溫度為303 K，最大溫差達(dá)到4.6 K，溫差保持相對(duì)穩(wěn)定，比1 C倍率放電時(shí)略高。電池在10 C倍率放電時(shí)，溫度分布見圖9(a)，該條件在實(shí)際工況下所能達(dá)到的持續(xù)時(shí)間較短，已是嚴(yán)重過載狀態(tài)，電池單體間溫度差小于10 K，最高達(dá)到314.5 K，達(dá)到了實(shí)際工況下的應(yīng)用要求。
設(shè)置電池包內(nèi)最高溫度電池為編號(hào)1的電池，在不同放電倍率下升溫至最高溫度時(shí)的數(shù)據(jù)見表3。最高溫度全部低于電池組要求的安全溫度，說明該風(fēng)道結(jié)構(gòu)在不同倍率下均能滿足電池組控溫要求。
串行風(fēng)道的通風(fēng)冷卻方式見圖10，內(nèi)部流體阻力偏大，對(duì)流換熱系數(shù)較小，電池單體之間溫差較大。并行風(fēng)道的通風(fēng)冷卻方式見圖11，并行風(fēng)道雖然在最大溫差上相較于串行風(fēng)道已有所降低，但會(huì)造成電池組局部溫度過高。經(jīng)分析可知，主要原因?yàn)閺?qiáng)制對(duì)流的冷風(fēng)流經(jīng)數(shù)個(gè)電池單體表面時(shí)，氣體的流場(chǎng)強(qiáng)度不均，導(dǎo)致散熱不一致[11]。
本文設(shè)定尺寸為258 mm×162.5 mm×87 mm的長(zhǎng)方體串行風(fēng)道進(jìn)行仿真，風(fēng)道厚度，進(jìn)、出風(fēng)口大小均與本文設(shè)計(jì)的風(fēng)道相同，其他外部條件設(shè)定也相同。由于設(shè)定的串行風(fēng)道采用較短的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，前排電池距離進(jìn)風(fēng)口位置很近，所以風(fēng)道內(nèi)前排電池的冷卻溫度更低。但距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)位置的電池溫度過高，最大溫差達(dá)到16 K，見圖12。電池工作在此種情況下將直接影響電池包的壽命。與本文設(shè)計(jì)的風(fēng)道相比(見圖13)，最高溫度與串行風(fēng)道接近，電池單體間溫差縮小到9.8 K，在風(fēng)道外側(cè)增加的輔助散熱孔組，增強(qiáng)了電池包邊緣的自然對(duì)流的能力。
由表4可見，在相同倍率下，并行風(fēng)道與本文設(shè)計(jì)的風(fēng)道的電池單體溫度差異較大，并行風(fēng)道最大溫差為7.85 K，而本文設(shè)計(jì)的風(fēng)道不但節(jié)省了材料成本，最大溫差同樣也縮小到5.9 K，并且具有更低的電池工作溫度。本文設(shè)計(jì)風(fēng)道，具備串行風(fēng)道出風(fēng)口節(jié)約空間的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合并行風(fēng)道，又因采用氣體引流板及輔助散熱孔等措施，使電池包溫度場(chǎng)更均勻。
結(jié)合實(shí)際情況對(duì)電池風(fēng)道在外部高溫環(huán)境下進(jìn)行仿真，進(jìn)風(fēng)口的流體溫度和環(huán)境溫度均設(shè)置為40 ℃，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速設(shè)置為3 m/s，設(shè)置電池包在2 C倍率下放電，得到電池包的溫度范圍在313.6~314.4 K之間，基本滿足鋰離子電池工作時(shí)溫控要求。
風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動(dòng)時(shí)的均勻性、穩(wěn)定性是風(fēng)道設(shè)計(jì)中相對(duì)重要的體現(xiàn)，圖中進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3 m/s，環(huán)境溫度為20 ℃的風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動(dòng)情況見圖14。氣體可以從電池間流動(dòng)，由于進(jìn)出口的面積不等，空氣分子間距離較遠(yuǎn)，存在被壓縮的可能，所以圖中出風(fēng)口氣體速度較大，風(fēng)速為9 m/s，風(fēng)道內(nèi)部的氣流流動(dòng)順暢，無氣體回流現(xiàn)象。
通過對(duì)改進(jìn)的并行風(fēng)道模型仿真與計(jì)算，與電池組不同倍率放電生熱條件相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)采用并行風(fēng)道的進(jìn)風(fēng)口模型、串行風(fēng)道的出風(fēng)口模型，可獲得串行風(fēng)道節(jié)約材料與并行風(fēng)道電池包溫度相對(duì)均勻的效果。在10 C倍率下，電池包內(nèi)單體最大溫差可控制在9.8 K以內(nèi)；增加輔助散熱孔后最高溫度可降低6.3 K；增加氣體引流板，可將最大溫差縮小到5.9 K。
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