大容量鋰離子電池儲能系統散熱研究

李彩紅，虞跨海，徐紅玉，宋書中，謝 秋

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大容量鋰離子電池儲能系統散熱研究

李彩紅1，虞跨海1，徐紅玉1，宋書中1，謝 秋2

（1. 河南科技大學 力學研究所，河南 洛陽 471023；2. 中航鋰電（洛陽）有限公司，河南 洛陽 471009）

基于鋰離子動力電池生熱模型仿真與實驗的研究，對局部強化射流冷卻散熱系統開展了儲能系統電池模塊不同充放電倍率下的流熱數值仿真，實現了電池模塊儲能系統在不同工況下熱行為仿真。研究結果表明：局部強化射流冷卻散熱系統能夠有效降低電池溫度，但是隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大，不利于單體之間的協調性和電池模塊性能的發揮，進而影響其安全性和可靠性。

鋰離子電池；熱模型；儲能系統；散熱結構；生熱率；溫度場

隨著環境問題和能源危機的日益突出，風電、太陽能發電等新能源得到飛速發展，而儲能技術對新能源發展具有重大意義。鋰離子電池具有高密度、高儲能率、循環壽命長等優勢，在儲能系統中得到廣泛應用[1]。然而，鋰離子電池對工作溫度要求嚴苛，特別在高溫環境下，存在一定的熱失控安全隱患[2-3]。因此，開展鋰離子電池熱模型研究，準確描述及預測電池的溫升情況，基于流熱數值仿真開展電池箱及電池模塊熱管理系統設計，保證鋰離子動力電池安全可靠運行，對于推動新能源技術發展具有重要意義。

目前，單體電池模型得到不斷發展，從集中質量模型發展到三維模型[4-8]，從單體模型到模塊模型。集中質量模型把電池作為一個質點，得到其平均溫度；一維模型研究電池在某一方向上溫度分布；二維模型研究電池某一截面上溫度分布；三維模型研究電池整體溫度分布，其對于大容量動力電池的性能和壽命影響很大。虞跨海等[9]開展了電池材料熱物性參數研究及單體電池仿真，能夠較準確描述單體電池熱行為。Park等[10]提出了一種風道并行冷卻熱管理方案設計。Giuliano等[11]提出了基于開孔泡沫鋁冷板結構的電池冷卻方案。然而，儲能電池技術對單體電池一致性提出了更嚴格的要求，保證各單體電池處于最佳工作狀態，發揮最佳性能。Yu等[12]提出了局部強化射流冷卻電池箱管理方案設計，僅討論了1C放電倍率下的冷卻效果。為了保證鋰離子動力電池在高溫環境及高充放電倍率下的工作安全性，仍需開展相關研究。

本文以磷酸鐵鋰電池為研究對象，基于鋰離子電池三維模型數值仿真與實驗，開展了儲能系統電池模塊高放電倍率及高充放電倍率循環下的流熱數值仿真，實現了成組電池儲能系統在不同工況和高充放電倍率下的循環熱行為研究，為儲能系統的熱管理系統設計和技術管理奠定基礎。

1 單體電池幾何模型

以中航鋰電（洛陽）有限公司方形鋰電池為研究對象，如圖1電池由外殼、正負極柱（耳）、電芯、安全閥等構成，電芯部分由數十單元甚至上百單元疊層構成，每個單元由正極料層、正極片、隔膜、負極片和負極料疊層構成，忽略螺栓孔、螺母、安全閥等部件。

圖1 電池幾何模型

2 單體電池熱模型

2.1 單體電池熱物性參數

假定單體電池各材料均勻，密度一致，材料比熱容和導熱率不受環境溫度和荷電狀態(SOC)變化影響。基于電芯實際結構，將電芯采用等效模型代替，即作為均勻物質的實體，對其比熱容、密度及導熱系數進行加權平均估算[9]。

2.2 電池熱模型方程

單體電池在充放電過程中產生熱量使其溫度升高，電池生熱過程與環境溫度、工作狀態及荷電狀態(SOC)有關。在直角坐標系下，方形電池內部溫度場：

式中：表示微元體的密度；p表示比熱容；表示熱導率（或導熱系數）；表示溫度；表示生熱率。該方程表示微元體在單位時間內的能量守恒方程，等式方程左邊表示微元體在單位時間內熱力學能的增量，等式右邊前三項表示微元體在三個坐標軸方向的凈熱量，右邊第四項表示微元體內熱源的生熱率。

單體電池生熱率主要來源于電芯生熱和電池極柱及連接板生熱，本文電芯生熱采用Bernardi生熱率方法計算[13]：

式中：表示電池電流；0表示開路電壓；表示工作電壓；為電池溫度；表示電池體積；(0–)表示產生的歐姆熱（或焦耳熱）；表示化學反應引起熵變產生的熱量。式（2）又可表示為：

式中：r表示電池內阻；與電池荷電狀態(SOC)、環境溫度等有關，基于實驗測量，通過四階樣條擬合其分布曲線[9]。電壓溫度系數也隨電池荷電狀態(SOC)變化。

2.3 電池的邊界條件

單體電池初始條件：

(,,, 0) =0(4)

式中：0為環境溫度。

在自然環境中，需考慮對流換熱和輻射換熱：

式中：c，r分別表示對流散熱量和輻射散熱量；表示對流換熱系數；1表示電池表面溫度；表示輻射換熱系數。

2.4 單體電池仿真與實驗分析

基于電池材料熱物性參數，針對單體電池開展1C放電倍率下的瞬態數值仿真，環境溫度為23.60℃，不銹鋼外殼，考慮重力影響，得到電池溫度分布如圖2(a)。電池最高溫度位于正極柱位置，電芯的最高溫度位于其中心位置，電池外殼頂部溫度最低，因其頂部無熱源且存在空氣導致其溫度顯示“凹”型分布，電芯疊層方向（電池厚度方向）由于熱導率較小出現熱積累現象。

圖2 1C放電倍率數值仿真、實驗測試及熱成像圖

同時開展了單體電池1C倍率下放電實驗，首先將正負極柱分別接入充放電測試設備，設備另一端連接臺式機，用于設定充放電過程的控制條件，先采用恒流恒壓的方式給單體電池充電，而后將滿電狀態的單體電池放于室內環境靜置2 h獲得恒定的初始溫度，最后對單體電池采用恒流放電方式進行放電，直至放電電壓為2 V時作為其停止放電的控制條件，單體電池放電測試連接如圖2(b)。放電實驗測試結束時利用紅外熱成像儀掃描電池整體，得到其溫度云圖分布如圖2(c)。數值仿真結果最高溫度30.65℃，位于正極柱位置，電芯最高溫度29.96℃，位于中心位置，單體電池實驗測試結果最高溫度29.60℃，數值仿真與實驗結果一致性較好，即所建單體電池模型精度較高，能夠較準確描述單體電池的熱行為。但兩者顯示的溫度分布結果位置存在一些差異，仿真結果顯示電池本體最高溫度位于電池中心區域，而實驗結果顯示最高溫度位于電芯頂部區域，是因為數值仿真采用電芯均勻發熱的Bernardi生熱模型，且單體電池被計算流場所包圍，而電池在實際的測試過程中，首先由于電化學反應電子發生移動產生電流，且電流密度在電池中分布的不均勻性產生不均勻的發熱造成的，其次由于實驗測試時電池與地面接觸，會產生熱交換，從而使其溫度分布發生變化。

3 電池箱流熱數值仿真

儲能柜電池模塊由2列6排12塊某型單體電池構成，儲能柜結構包括通用風道和局部強化射流風道，通用風道空氣經導流板導流及分流，形成水平方向流場實施強迫風冷；局部強化射流風道位于箱體底部區域，經錐形風道加壓，從底部沿高度方向對箱體中心區域單體電池實施強迫冷卻，較傳統箱體冷卻效果得到大幅提高[12]，且在低放電倍率下滿足安全性和可靠性需求，針對高放電倍率和高充放電倍率循環過程仍需開展進一步研究。

單體電池的工作環境溫度為20~60℃，由于實際工況的復雜不確定性，處于工作狀態的各單體電池必然存在差距。若各單體差距加劇，影響電池模塊的性能和使用壽命，甚至引起安全隱患，故進一步開展復雜工況儲能柜電池模塊的數值仿真具有重要意義。本文開展了儲能柜電池模塊高放電倍率(2C，3C)瞬態數值仿真，環境溫度20℃，風扇流量0.15 m3/min，電池模塊溫度分布如圖3。由于電池模塊中心位置熱量無法及時散熱，存在熱積累現象，最高溫度位于中心位置電池正極柱，進出風口作用使模塊兩側單體電池溫度較低，基于局部強化射流風道作用，電池模塊整體高溫分布靠近單體電池頂部，且隨著放電倍率增大，模塊整體溫度升高，各單體之間溫差增大。2C放電倍率單體電池最高溫度35.28℃，各單體之間最大溫差11.91℃；3C放電倍率最高溫度46.61℃，各單體之間最大溫差21.30℃。放電倍率的增大使各單體電池溫度升高，加劇電池模塊的溫度不一致性，易發生熱失控現象，影響電池模塊性能、使用壽命和安全性。

為了保證鋰離子動力電池在不同工況下的安全性，本文開展了高充放電倍率循環過程的瞬態數值仿真，過程分為三個階段，即充電階段、靜置階段(30 min)、放電階段。環境溫度為20℃，風扇流量為0.15 m3/min。2C充放電倍率下電池模塊溫度分布如圖4。充電階段結束，最高溫度33.92℃，位于中心位置單體電池極柱，進風口位置單體電池溫度最低，各單體之間最大溫差11.19℃；靜置階段結束，電池模塊整體溫度均下降，最高溫度24.94℃，位于中心位置電芯處，最低溫度21.07℃，各單體之間最大溫差3.87℃，電池模塊溫度得到控制，其溫度分布較均勻。如若延長靜置時間，電池模塊運行工況會得到更好的改善；放電階段結束，電池模塊最高溫度36.64℃，位于中心位置的極柱上，靠近風扇位置單體電池溫度最低，各單體之間最大溫差12.90℃。各單體電池之間溫差的增大不利于各單體的協調性和電池模塊性能的充分發揮，進而影響其使用壽命和安全性。

圖3 電池模塊不同放電倍率下溫度場

基于充放電循環過程溫度分布，最高溫度位于電池模塊中心位置，故選擇中心位置10#單體電池的正極柱和電芯作為監測點，如圖4(a)所示，監測點在充放電循環過程瞬態溫度變化如圖5。在充電階段，極柱溫升比電芯溫升大；在靜置階段，由于通用風道空氣經導流板導流及分流，形成水平方向流場使極柱溫降較大，局部強化射流風道使存在熱積累現象的中心位置單體電芯溫降相對較小；在放電階段，極柱和電芯溫度持續升高，且極柱溫升比電芯溫升變化大，尤其在放電末期，由于電池荷電狀態(SOC)的降低，內阻快速增大引起生熱率增大，加速其溫升變化。

本文繼續開展3C倍率充放電循環過程瞬態數值仿真。充電階段結束后，最高溫度44.61℃，位于電池組中心位置的極柱，最低溫度24.45℃，各單體電池最大溫差20.16℃；靜置階段結束后，最高溫度29.75℃，位于中心位置極柱，電池模塊兩側單體最低溫度22.59℃，各單體電池最大溫差7.16℃；放電階段結束后，最高溫度48.21℃，最低溫度25.40℃，各單體電池最大溫差22.81℃。隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大，加劇各單體電池之間性能差距，從而影響電池模塊的壽命和可靠性，故可以進一步開展儲能柜散熱結構優化設計，提高其冷卻效率，確保電池模塊內部各單體電池之間溫度分布的均勻性，以達到其對單體電池的要求。

圖4 2C充放電循環過程溫度場

圖5 2C充放電循環過程監測點溫度場

4 結論

基于高精度鋰離子動力電池生熱模型的仿真與實驗，結合局部強化射流冷卻散熱系統，兼顧其安全性和可靠性需求，開展了儲能系統電池模塊高放電倍率和高充放電倍率循環過程的流熱數值仿真，得到以下結論：

（1）局部強化射流冷卻散熱系統能夠有效降低電池溫度，隨著放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間的溫差增大；

（2）驗證了局部強化射流冷卻散熱系統在低充放電倍率循環下滿足其安全性和可靠性要求，隨著充放電倍率的增大，電池模塊溫度升高，各單體電池之間溫差增大，不利于單體之間的協調性和電池模塊性能的發揮，進而影響儲能箱體的安全性和可靠性；

（3）基于局部強化射流冷卻的儲能箱體散熱結構可進一步開展優化設計，繼續開展風道、進出風口位置和尺寸設計，以提高其冷卻效果，保證電池模塊各單體電池之間溫度分布的均勻性，為實際工程熱管理系統設計奠定基礎。

[1] 李新宏. 鋰離子電池在儲能上的應用 [J]. 新材料產業, 2012(9): 83-87.

[2] 王浩, 楊聚萍, 王莉等. 鋰離子電池的安全性問題 [J]. 新材料產業, 2012(9): 88-94.

[3] 方謀, 趙驍, 陳敬波, 等. 從波音787電池事故分析大型動力電池組的安全性 [J]. 儲能科學與技術, 2014, 3(1): 42-46.

[4] BOTTE G G, JOHNSON B A, WHITE R E. Influence of some design variables on the thermal behavior of a lithium-ion cell [J]. J Electrochem Soc, 1999, 146(3): 12-18.

[5] HALLAJ S A, SELMAN J R. Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/hybrid electric vehicle applications [J]. J Power Sources, 2002, 110(2): 341-348.

[6] KHATEEB S A, AMIRUDDIN S, FARID M, et al. Thermal management of Li-ion battery with phase change material for electric scooters: experimental validation [J]. J Power Sources, 2005, 142: 345-353.

[7] VLAHINOS A, PESARAN A A. Energy efficient battery heating in cold climates [C]//Future Car Congress. Arlington, Virginia, USA: SAE International, 2002.

[8] KIM G H, PESARAN A, SPOTNITZ R. A three-dimensional thermal abuse model for lithium-ion cells [J]. J Power Sources, 2007, 170(2): 476-489.

[9] 虞跨海, 李長浩, 程永周. 鋰離子儲能電池放電熱行為仿真與實驗研究 [J]. 電源技術, 2016, 40(1): 63-66, 134.

[10] PARK H. A design of air flow configuration for cooling lithium ion battery in hybrid electric vehicles [J]. J Power Sources, 2013, 239: 30-36.

[11] GIULIANO M R, PRASAD A K, ADVANI S G. Experimental study of an air-cooled thermal management system for high capacity lithium-titanate batteries [J]. J Power Sources, 2012, 216: 345-352.

[12] YU K H, YANG X, CHEN Y Z, et al. Thermal analysis and two-directional air flow thermal management for lithium-ion battery pack [J]. J Power Sources, 2014, 270: 193-200.

[13] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems [J]. J Electrochem Soc, 1985, 132(1): 5-12.

（編輯：陳豐）

Heat dissipation study on large capacity lithium-ion battery energy storage system

LI Caihong1, YU Kuahai1, XU Hongyu1, SONG Shuzhong1, XIE Qiu2

(1. Institute of Mechanics, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, Henan Province, China; 2. China Aviation Lithium-ion Battery Co., Ltd, Luoyang 471009, Henan Province, China)

Based on the lithium-ion power battery heat generation model of simulation and experiment, coupled flow and heat transfer numerical simulation of battery module energy storage system with two-directional air flow cooling was carried out under different charge-discharge rates. Simulation of thermal behavior of the battery module energy storage system under different operating conditions was realized. Result shows that two-directional air flow cooling system can effectively reduce the temperature of the battery. But with the increase of the charge-discharge rates, the temperature of the lithium-ion battery module rises and the temperature difference of individual cells increases. It is not beneficial for the coordination of individual cells and the performance of the battery module, and then the safety and reliability of lithium-ion battery system decreases.

lithium-ion battery; thermal model; energy storage system; cooling structure; heat generate rate; temperature distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.11.018

TM911

A

1001-2028（2016）11-0090-05

2016-09-09

虞跨海

河南省科技攻關計劃項目資助（No. 152102210071）；河南省教育廳自然科學基金資助（No. 13A480267）

虞跨海（1982－），男，浙江義烏人，副教授，博士，研究方向為航空推進系統、多學科設計優化、鋰離子動力電池熱管理，E-mail: yukuahai@163.com；

李彩紅（1979－），女，河北石家莊人，研究生，研究方向為溫度場分析，E-mail: licaihong201102@163.com。

2016-10-28 14:14:28

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161028.1414.018.html