動力電池箱散熱特性仿真分析

邵艷濤，姜保軍，王 偉

Shao Yantao1，Jiang Baojun1，Wang Wei2

（1. 重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2. 天津華泰億緯電源有限公司，天津 300301）

動力電池箱散熱特性仿真分析

邵艷濤1，姜保軍1，王 偉2

Shao Yantao1，Jiang Baojun1，Wang Wei2

（1. 重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶 400074；2. 天津華泰億緯電源有限公司，天津 300301）

針對工作中的電池箱在強迫風冷條件下因產(chǎn)熱散熱而引起的溫度分布不均問題，利用有限元分析軟件ANSYS/Fluent，研究電池箱進風口送風風量不同時內(nèi)部溫度場分布情況，通過分析得到電池箱內(nèi)部的散熱特性和進氣速率存在非線性關(guān)系。

電池箱；Fluent；溫度場

0 引 言

隨著國家加大新能源汽車的扶持力度及人們節(jié)能環(huán)保意識的加強，純電動汽車作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)中的重要一員正蓬勃發(fā)展。其中動力鋰離子電池憑借其高能量密度、長循環(huán)壽命、低自放電率和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，成為純電動汽車的優(yōu)先選擇。但鋰離子電池在使用過程中出現(xiàn)的燃燒爆炸等安全性問題嚴重制約著其在純電動汽車上的應(yīng)用。鋰離子電池的安全性問題首先是由“過熱”引發(fā)的。電池在使用時，生熱量大于散熱量，不斷累積的熱量促使電池內(nèi)部溫度持續(xù)上升，當電池的溫度達到臨界點時，熱失控就會發(fā)生；因此研究鋰離子電池溫度場分布，進而控制鋰離子電池在安全范圍內(nèi)工作具有重要意義。文中利用有限元分析軟件 ANSYS/Fluent，對電動汽車動力電池在強制風冷條件下的三維溫度場進行數(shù)值模擬，比較進氣口送風速率不同時電池箱的散熱效果。

1 熱特性模型的建立

1.1 數(shù)學模型

電池箱使用100Ah方型鋰離子電池，鋰離子電池由外殼、正負極片、集流體和隔膜等材料按照一定順序依次層疊而成。電池材料熱物性參數(shù)見表1。

表1 方型鋰離子電池單體各材料的熱物性參數(shù)[1]

為方便建模和仿真，對鋰離子電池作以下簡化和假設(shè)：

1）鋰離子電池幾何模型由內(nèi)核和鋁制外殼組成；

2）電池內(nèi)部對流和輻射散熱忽略不計；

3）電池內(nèi)阻和內(nèi)部各種材料比熱容不隨溫度和放電深度而改變；

4）電池導熱系數(shù)各向異性且同一方向?qū)嵯禂?shù)恒定；

5）電池內(nèi)部產(chǎn)熱均勻。

基于以上簡化和假設(shè)，依據(jù)傳熱學和熱力學基本定理，建立鋰離子電池三維瞬態(tài)傳熱微分方程

式中，ρ為電池密度，kg/m3；CP為電池比熱容，J/(kg.K)；T為溫度，K；t為時間，s；λ為電池導熱系數(shù)，W/(m.K)；q為電池內(nèi)部單位體積的產(chǎn)熱生產(chǎn)率，W/m3。

1.2 產(chǎn)熱速率

電池在工作過程中產(chǎn)生大量熱量。電池產(chǎn)熱速率由式（2）得到[2]

式中，q為電池產(chǎn)熱速率，W/m3；I為電流，A；V為電池有效體積，m3；E為電池開路電壓，V；Eoc為電池工作電壓，V；T為電池溫度，K；dE/dT取-0.22 mV/K[3]。

由此計算出電池在 0.5 C放電倍率下的產(chǎn)熱速率為4 292.1 W/m3。

1.3 熱物性參數(shù)

1.3.1 電池導熱系數(shù)

電池各方向?qū)嵯禂?shù)計算公式見參考文獻[4]，分別為

λx為電池厚度方向?qū)嵯禂?shù)，λy、λz為電池寬度和高度方向?qū)嵯禂?shù)，λi為電池各層材料導熱系數(shù)，為電池各層材料厚度，LX為電池單體厚度。根據(jù)表1中相關(guān)參數(shù)，經(jīng)計算，λx為1.637 W/(m.K)，λy、λz均為26.141 W/(m.K)。

1.3.2 電池平均比熱容

電池平均比熱容的計算公式見參考文獻[5]，其比熱容為

式中，CP為電池平均比熱容；M為電池單體質(zhì)量；mi為電池單體各層材料質(zhì)量；Ci為電池單體各層材料比熱容。經(jīng)計算，CP為1 102.9 J/(kg.K)。

1.3.3 電池密度

鋰離子電池密度可通過測得的電池質(zhì)量與電池總體積之比得到，其具體表達式為

式中，M為鋰離子電池單體總質(zhì)量，V為鋰離子電池單體總體積。經(jīng)計算，ρ為2 682.55 kg/m3。

2 仿真模型的建立

電池箱由20塊電芯按照1并20串布置在箱體內(nèi)，20塊電芯分上下兩排，每排電芯間距為8mm。受計算機硬件條件限制，忽略電池箱內(nèi)部線束、控制器和傳感器等零部件，將電芯簡化為材料分布均勻的長方體，電池箱箱體外表面為絕熱壁面。采用Pro/E建立電池箱三維模型，ICEM CFD劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，ANSYS/Fluent三維穩(wěn)態(tài)求解器和標準k—ε湍流模型求解仿真模型。

3 結(jié)果分析

計算模型初始溫度和空氣溫度設(shè)定為300 K，初始壓力為1個標準大氣壓，冷卻空氣以1 m/s，3 m/s，6 m/s，9 m/s的速度從進風口吹入電池箱內(nèi)，電池箱內(nèi)各電池溫度場分布云圖如圖1～4所示。

圖1 v =1 m/s時電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖2 v=3 m/s時電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖3 v =6m/s時電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

圖4 v =9 m/s時電池箱內(nèi)部溫度分布云圖

電池箱上排從左到右取編號1～10，下排從左到右取編號 11～20，由溫度云圖可以看出，冷卻空氣以1 m/s，3 m/s，6 m/s，9 m/s的速度由入口處流入電池箱內(nèi)部后，電池箱內(nèi)電池最高溫度分別上升到了56.7 ℃，39.5 ℃，34.6 ℃，32.8 ℃，電池箱內(nèi)溫差分別達到了29.8 ℃，12.6 ℃，7.7 ℃，6 ℃，入口空氣流速較低時，電池箱內(nèi)電池散熱一致性極不均勻，隨著入口空氣流速的增加，增加了其散熱性能，電池箱內(nèi)溫度均勻性變好，但過高的空氣流速，對降低電池溫度有限，此時不能一味地只增加空氣流速。

仿真結(jié)果顯示，電池產(chǎn)生的熱量被快速帶走達到散熱效果的同時，處于空氣入口處的電芯冷卻效果較好，而處于空氣出口處的5號和6號電芯冷卻效果較差，這是由于空氣進入電池箱后，在流向出口的過程中被不斷加熱，被加熱的空氣加熱了后方的電芯，同時進入電池箱內(nèi)部的空氣在流向出口的過程中不斷被減速及空氣流量相對減少，而且缺少有效的散熱通道來管理流向出口的空氣。

4 結(jié) 論

通過采用ANSYS/Fluent穩(wěn)態(tài)分析算法仿真不同空氣流速下的電池箱模型，得到以下結(jié)論：

1）隨著入口空氣流速的增加，電池箱內(nèi)溫度均勻性變好，當流速增加到一定程度后，對電池箱內(nèi)溫差影響不大；

2）強制風冷條件下，電池箱進風口處電芯散熱效果最佳，電池箱出口處電芯散熱效果最差。

[1]Chen Y, Evans J W. Thermal Analysis of Lithium-ion Batteries[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1996, 143(9): 2708-2712.

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

[3]Wu M S, Hung Y H, Wang Y Y, et al. Heat Dissipation Behavior of the Nickle/metal Hydride Battery[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2000, 147(3): 930-935.

[4]林成濤，李騰，陳全世. 錳酸鋰動力蓄電池散熱影響因素分析[J]. 兵工學報，2010（1）：88-93.

[5]王晉鵬. 密閉電池艙段內(nèi)鋰離子電池熱分析研究[D]. 西安：西北工業(yè)大學，2007.

TM912

：ADOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2017.01.006

1002-4581（2017）01-0021-03

2016? 08? 24