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摘要：针对锂离子模组电池散热性能差的突出问题，对锂离子模组电池进行散热研究。建立模组电池三维热模型，进行数值仿真分析。通过数值仿真表明：电池放电倍率、对流换热系数和导热介质对电池散热都有所影响。电池放电应尽量在1C倍率，避免因电池高倍率放电导致升温过快；增大对流换热系数有助电池温度的降低，但同时会造成电池整体性温差增大，同时强制增大对流换热系数，也会造成外界设备能量的浪费；通过对比不同厚度的铜板、铝板、导热胶垫对电池散热的影响可知，厚度相同的3种材料中，传热系数较大的铜板降低电池整体温度效果最好；同种材料不同厚度时，增大导热材料厚度，电池整体性温差降低。电池散热影响因素分析为模组电池的结构设计提供了理论基础，具有一定的参考意义。
关键词：模组电池；数值仿真；散热性能
0引言
气候问题是世界各国共同关注的问题，随着碳达峰、碳中和目标的提出，减少污染物的排放和提高能源利用率已然成为所有人的共识。在全球能源变革中，工业是能源变革的代表行业，典型代表为电动汽车产生[1-2],而能量密度高、输出功率高和循环使用寿命较长的锂离子动力电池自然成为电动汽车储能设备的首选[3]。动力电池性能作为电动汽车的主要衡量标准，在设计上有着独特且严格的标准。由于温度对锂离子电池的安全和性能影响较大，当电池模组内积累了大量热量，电池局部的温度会急剧上升，则可能出现电池短路和热失控现象，甚至可能引发电池着火和爆炸等安全事故[4]。因此电池必须保持在25~40℃的温度范围内[5],以确保电池性能最佳。
目前，对锂离子模组电池散热已有较多研究，根据散热方式不同，可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却[6]。吴晓刚等[7]通过仿真分析了液冷板布置位置、流道设计和冷板出入口位置等因素对电池组温度的影响规律。任诗皓等[8]采用数值模拟的方法，分析了空气进口速度、进口温度以及出风口位置等参数对电池组散热效果的影响。佘阳等[9]设计了包括横式和纵式的4种冷却水道模型，研究了锂离子电池模组液冷散热结构中各个参数变量。锂离子电池组散热结构设计时应该综合考
虑各项因素。Zhou Zhizuan等[10]通过一系列实验，分析ＰＣＭ的冷却效率以及ＰＣＭ的结构、相变温度、厚度等几个细节因素对热管理性能的影响。通过对结构的设计，来实现介质运输热量的增大，是目前电池散热常见的方式。为保证模组电池使用时处于安全区间内，在上述研究的基础上，本文采用数值仿真方法，通过改变放电倍率、对流换热系数、导热介质，仿真比较模组电池空冷散热时的散热效果，并提出优化设计。
1锂电池三维热效应的建立
1.1建立单体电池生热模型
构建合理的电池生热速率模型，是研究电池散热的基础。由于电池内部结构复杂，生热速率受电流密度、荷电状态以及环境温度等多因素影响，很难进行准确的测量。故本文采用Bernardi[11-12]，生热速率数学模型，Bernardi生热速率数学模型方程如下：
式中：Q为单位体积锂电池的发热功率；I为充放电电流；E。为电池开路电压；E为电池电压；T为温度；T(dE。/dT)表示为可逆反应热，dE。/dT为温度系数。
1.2热边界条件
1.2.1电池与空气接触的对流换热边界
根据牛顿冷却定律，电池表面同外界空气接触，存在温差，电池进行对流散热「131，边界条件：
式中：nn为为X、Y、Z三个方向；h为对流换热系数，W/(m²·K)；t、s分别为电池表面温度和周围环境温度，K。
1.2.2电池与导热介质之间的热传导边界
电池与导热介质直接接触，当两者存在温差时，热量总是会从高温物体传递到低温物体上，该规律遵循傅里叶定律，其计算公式为：
式中：9为热流密度，W/m；入为导热系数，W/(m·K)；；d为温度在XY、Z方向上的温度梯度，W/m。
2单体锂电池仿真模型建立
2.1模型建立及假设
采用简化后的几何模型进行计算，简化后的三维几何模型如图1所示。为简化计算，基于电池的生热和传热机理，对锂离子电池进行流场数值仿真分析时需做以下假设：电池视为实体，忽略了电池的正负极耳和电池内部不分层等相关结构，只考虑电池外表面与外界环境的热交换；电池内部组成材料均匀，且密度保持一致，同种材料热容视为常数，且在同一方向的热导率相同；电池环境温度为11℃，不发生变化。
2.2参数设置
电池额定容量50Ah，额定电压3.2V，工作温度为-20~60℃，外形尺寸为260mm×110mm×25mm。标准大气压下单体电池的物性参数如表1所示。
电池在环境中采用自然对流的方式进行冷却，自然对流系数值4W/(m²·K)，电池表面辐射系数为0.2，电池内部热阻为常数。通过电池相关参数和热模型计算公式：
Q=P/V(4)
式中：Q为单体电池体积热，W/m²；P为电池发热功率，W；V为电池体积，m'。
通过查阅相关文献及计算，可得到单体电池在1C放电倍率下生热速率为10 758.8 W/m，2C放电倍率下生热速率为21764.7W/m³。
2.3网格无关性验证
为了验证模型网格独立性，建立在外界环境温度为11℃，放电倍率为1C的单体电池，分别对网格数量为91148(296.703~298.753)、197845(296.700~298.756)和460342(296.702~298.759)的计算模型进行求解，获得1C放电倍率下电池表面最低和最高温度，且当网格数量由91148增加到460342时，最低温度和最高温度的变化趋势一致，最高温度和最低温度的变化量不超过0.5℃，因此认为网格数量为91148时可获得网格独立解，网格平均质量为0.9，后续分析都基于此网格进行。
3单体电池热分析
锂离子电池在使用过程中会伴随有明显的热效应，造成电池整体温度上升和温差变大，进而影响电池性能，严重时会影响到电池的使用寿命和使用安全。因此，研究单体电池热特性对锂离子电池的使用具有重要意义。建立单体锂离子电池温度场仿真模型，研究不同放电倍率、不同换热系数下的单体电池表面温度场。
3.1不同放电倍率下单体电池温度分布
电池物性参数保持不变，环境温度为11℃，自然对流换热系数h=4W/(m²·K)，辐射系数0.2，自然对流介质为空气，属性选择仿真软件数据库中的air参数，分析单体电池在放电倍率为1C、1.5C、2C下的表面温度场分布。
图2为单体电池在1C、1.5C、2C放电倍率下1200：S时的温度场分布，电池中心处温度最高，并向外呈递减趋势，电池最高温度和最低温度均随放电倍率的增大而升高。
图3为电池在不同放电倍率下电池温差，1C放电200 s时温差为0.0714 K,1 200 s时达到0.743 K,高倍率2C放电200 s时温差0.217 K,1 200 s时达到2.194 K,这是0.5 C放电时温差幅度的3倍。由此说明放电倍率对电池温度影响显著，其主要原因是当放电倍率增大时，电流也随之增大，将影响锂离子电池内部的热效应。
3.2对流换热系数对电池温度的影响
电池其他参数保持不变，环境温度为11℃,放电倍率为2C,辐射系数0.2,分析对流换热系数为16、12、8、4下电池温度场分布。图4所示为单体电池在外界环境11℃,换热系数分别为4、8、12、16下1800 s时的温度场分布，电池电芯温度最高，依次向外递减，电池最低温度和最高温度随交流换热系数的增大而降低。
图5所示为在环境温度11℃,对流换热系数为4、8、12、16时的电池温差。h=4时，电池在200 s时的温差为0.217 K,1 200 s时温度达到2.194 K,h=16时，电池在200 s时的温差为0.594 K,1 200 s时达到4.934 K,增幅较h=4时明显大得多，结果表明增大换热系数有利于降低电池表面温度，其主要原因是增大换热系数有利于加快电池表面与周围环境换热，降低了电池表面温度；而电池内部产热不发生变化，导热材料不发生变化，内部温度变化不大，因此随对流换热系数的增大，电池温差变大，温度均匀性变差。但是对于电池而言，要想增大同外界的对流换热系数，就需要通过外在设备，如冷风机等，而这将会导致额外的能量损耗。
4模组电池热分析
为简化模型，便于计算，将1×3电池组进行简化，放电倍率为1C,单体电池间隙分别为10 mm、20 mm、30 mm,传热介质分别为铜板、铝板和导热胶垫，探究不同导热介质及导热介质材料厚度对电池模组散热影响。表2为铜板、铝板和导热胶垫的热物理性质。图6为电池模组导热介质分别为铜板、铝板、导热胶垫及厚度分别为10、20、30 mm的电池表面温度场。由图可知，以铝板材料、铜板材料作为电池组间的传热介质，较导热胶垫导热效果更好。铝板使电池组最高温度降低了0.41%,铜板材料降低了0.73%。从图中还可以看出，以铜板、铝板或是导热胶垫作为传热介质时，模组中间单体电池温度最低。这是由于传热介质的传热系数较大，中间单体产生的热量快速传递给两侧介质材料，而两侧单体电池仅一侧与介质材料接触，另一侧与空气接触，空气的传热系数较低，使得两侧单体电池的温度略高于中间电池温度，但电池组的整体温度降低。因此在电池组各单电池的间隙中填充传热系数较大的介质材料，可以有效降低电池整体温度，减小温度差，避免因局部温度过高引起热失控。
同时，随着导热介质铝板厚度的增加，电池模组的整体温度在逐渐降低。这是由于随着导热介质厚度的增加，模组电池中间单体电池的热量通过导热介质向两侧单体电池传导的热量增加，但是导热介质厚度的增加会导致模组电池整体体积增加，增大了电池携带的难度，因此需对模组电池导热介质厚度进行优化设计。
5结束语
本文建立了基于单体电池生热模型的锂离子模组电池放电时三维热模型，利用数值仿真方法研究了放电倍率、对流换热系数和导热介质性质及厚度对模组电池散热的影响，并得出以下结论。
(1)在已知电池热物理参数情况下，通过计算得出电池放电过程中的散热量，能够有效且简便建立锂电池热模型，可以方便准确地研究电池散热因素，对电池结构设计和生产具有指导意义。
(2)电池放电倍率和电池表面对流传热系数对方形锂离子模组电池温度影响明显，正常情况时应该保持在1C内放电，高倍率放电时应该通过强制风冷或者水冷等方式来提高电池表面对流系数，从而增大与外界环境的热交换量，但这易造成能量的损失。
(3)导热介质的材料性质及厚度对锂离子模组电池散热有着强烈的影响，在保证电池安全及使用寿命的前提下，同时也应考虑电池制造工艺的经济性，以实现模组电池的轻型化，进而满足电池使用。
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人参与 2024-07-16 11:07:42 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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