空冷條件下鋰離子電池散熱特性的研究

王紅民 陳亞樓 胡銳鴻 上官文斌★

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640）

由于鋰離子電池具有比功率高、充電時間短、記憶效應不明顯等優點，成為電動汽車動力電池的首選[1]。但是，鋰電池在充放電過程中會產生熱量，如果不及時散熱，就會導致電池溫度升高，從而影響電池的使用性能和壽命，甚至導致電池發生爆炸，所以對電池進行有效的熱管理，使其工作在最佳溫度范圍內，對電動汽車的性能和安全有著非常重要的意義[2]。目前，電池散熱系統主要有：風冷、液體冷卻和相變材料冷卻三種，由于風冷系統具有結構簡單、成本低廉、安全可靠等優點，而被廣泛應用于電動汽車電池組的熱管理系統中。掌握電池單體的散熱特性對優化設計大型風冷電池包有一定的參考作用。本文采用FLUENT軟件對26650型磷酸鐵鋰電池在空冷條件下的散熱特性進行了數值模擬研究。

1 電池生熱及電池物理參數的確定

1.1 電池生熱的計算

采用Benadi建立的電池生熱模型計算電池的生熱量。假設電池內部生熱均勻分布，則其生熱量如式（1）所示。

式中，Vb表示電池單體體積；I表示充放電電流，充電為正，放電為負；Rin為電池內阻；E0表示電池開路電壓；T表示溫度；TdE0/dt表示可逆反應熱[3]。

1.2 電池物理參數

電池內部構造復雜，其物理參數用下述方法來確定[4]。

電池的平均密度和平均比熱容的確定：根據每種材料的密度和比熱容，通過加權平均法計算，如式（2）、式（3）所示。：

式中：ρi、Ci、vi分別為各層材料的密度、比熱容和體積。

電池內部軸向和徑向導熱率的確定，采用等效電阻法，如式（4）、式（5）所示。

式中，Li為各層材料的厚度；ki為各層材料的導熱系數；Ai為對應傳熱方向上的截面積；krθ為徑向導熱率；kz為軸向導熱率。

1.3 26650型磷酸鐵鋰電池參數的確定

電池各個層面材料的物理參數如表1所示[5-6]。將電池簡化為均勻內熱源模型，根據表1中電池各層材料的物理參數計算出電池的平均比熱、密度、徑向和軸向導熱系數，如表2所示。

表1 電池各個層面材料的物理參數

表2 電池的平均物理參數

2 電池模型的建立

26650型磷酸鐵鋰電池為圓柱形，其直徑為26mm，高65mm。本研究通過ICEM-CFD軟件建立數值仿真模型，并完成網格劃分。首先在軟件中建立電池的圓柱體模型，創建電池整體的block，對block劃分并建立相對應的映射關系，之后設置各個方向的節點數目，軸向節點數目設置為140個，圓截面各個方向節點均設置為50個，然后將網格轉化為非結構網格，網格數量為21萬左右，網格質量均在0.7以上。在每次數值模擬之前，首先進行網格無關性驗證。

3 電池表面為空氣自然對流冷卻時，電池內部的溫度分布

把電池網格模型導入FLUENT軟件，材料區設置電池物理參數，加載軸向與徑向導熱系數，中心軸加載內熱源，表面區域設置對流換熱系數，對流換熱系數取10W/（m2·K）。在環境溫度和對流換熱系數不變的條件下，研究了5C，10C，15C，20C放電倍率恒流放電時電池內部徑向溫度分布的變化，如圖1所示。隨著放電倍率的增大，電池內部沿徑向每一點的溫度都升高，這是電池產生的熱量增多所致。當環境溫度和電池表面的對流換熱系數相同時，放電倍率增大，電池內部與表面的溫差也增大，所以，沿電池徑向，由中心到表面的溫度降低也越明顯。

圖1 不同放電倍率下電池徑向溫度分布的變化

4 表面為空氣強制對流冷卻時，電池散熱特性研究

為研究電池單體在空氣強制對流冷卻時的散熱特性，本文設計了參數為70mm×36mm×114mm的冷卻風道。使用ICEM-CFD劃分網格，流體區域網格最大比例取2.5，其余區域取2，網格形狀為四面體，在電池表面與空氣接觸的區域生成邊界層，網格結構如圖2所示。

在FLUENT軟件中，采用穩態控制方程，入口設置為速度入口，速度變化范圍為1～10m/s，入口溫度和環境溫度均為298K，出口設置為outflow，電池表面換熱條件設置為耦合，冷卻風道壁面設定為恒溫邊界。求解方法選擇simple離散算法，空間離散中的壓力選項設定為二階。松弛因子設定為默認值。

圖2 散熱裝置網格結構

圖3為不同風速及放電倍率下，電池內部最高溫度的變化曲線。在入口風速相同的條件下，放電倍率越大，電池內部最高溫度越高；放電倍率越大，冷卻風速對電池最高溫度的影響也越大。這是由于放電倍率越大，電池的放電電流就越大，電池的整體溫度越高，表面與冷卻空氣之間的溫差變大，對流換熱增加。在同一放電倍率下，電池的最高溫度隨著風速的增加而降低，因為風速越大，電池表面與空氣的對流換熱越強。但風速越高，電池溫度降低的幅度越小，曲線趨于平緩。說明冷卻風速越大，對電池溫度的影響越小。

圖3 不同風速及放電倍率下，電池內部最高溫度的變化曲線

5 結論

單體電池在空氣自然對流冷卻的條件下，電池放電倍率越高，電池溫升速度越快，電池中心與表面的溫差也越大。單體電池在空氣強制對流冷卻的條件下，電池的放電倍率越高，冷卻風速對電池溫度的影響越大。在同一放電倍率下，風速越高，電池溫度越低。但當風速增大到一定值后，進一步增大風速對電池溫度的影響越來越小。