淺談動力鋰電池熱管理研究體系

李可 陳日豪 馬富春

摘 要：本研究體系以動力鋰電池的熱管理關(guān)鍵技術(shù)為對象，基于動力鋰電池的發(fā)熱情況，研究與動力鋰電池熱管理密切相關(guān)的PACK箱和汽車電池艙的綜合散熱，并通過數(shù)值仿真技術(shù)對PACK箱和電池艙散熱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：動力鋰電池 熱管理 仿真技術(shù)

鋰電池因自身的獨有優(yōu)勢迅速成為了電動汽車以及便攜式設(shè)備的重要核心，但是鋰電池的進一步發(fā)展還面臨很多困難，除去基本的成本等經(jīng)濟因素外，其熱管理是飽受詰難的問題之一。在充放電過程中，電池內(nèi)部電化學材料產(chǎn)生化學反應(yīng)熱，由于電池單體間空間狹小，大量熱量累積。如果這部分熱量不能及時傳遞到電池艙，或者電池艙內(nèi)散熱條件不佳，會造成PACK箱內(nèi)電池溫度場分布不均勻，電池單體及模組間溫差離散化加劇，從而影響電池單體的充放電性能、安全性以及循環(huán)壽命等。且現(xiàn)有理論研究的局限性，汽車空氣動力學，主要關(guān)注汽車減阻;傳熱學和熱力學，則主要解決汽車散熱和能量高效利用。建立動力鋰電池熱管理研究體系十分必要。

1 研究體系線路

本研究體系以動力鋰電池的熱管理關(guān)鍵技術(shù)為對象，基于動力鋰電池的發(fā)熱情況，一般電池組內(nèi)部溫差要小于5℃[1-2]，研究與動力鋰電池熱管理密切相關(guān)的PACK箱和汽車電池艙的綜合散熱，并通過數(shù)值仿真技術(shù)對PACK箱和電池艙散熱結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，從而達到降低動力鋰電池單體最高溫度和電池單體之間以及其組成的模組之間溫差的目的，為鋰電池PACK箱的開發(fā)和電池艙設(shè)計提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

2 確定動力鋰電池發(fā)熱模型

通過實驗，對鋰電池物性和發(fā)熱量等重要參數(shù)進行測量，并根據(jù)鋰電池工作原理選擇合適的動力鋰電池發(fā)熱模型，結(jié)合前期測量數(shù)據(jù)，對模型進行優(yōu)化，使電池發(fā)熱模型能夠反映真實電池的發(fā)熱情況。

2.1 鋰電池發(fā)熱模型建立

進行相關(guān)技術(shù)調(diào)研與理論研究，確定電池發(fā)熱模型。電池生熱主要包括內(nèi)部電化學反應(yīng)產(chǎn)生的熱、電流通過電阻產(chǎn)生的焦耳熱、化學反應(yīng)過程中電極引起的極化內(nèi)阻產(chǎn)生的極化熱，以及高溫工作下電解質(zhì)發(fā)生分解反應(yīng)產(chǎn)熱。

電池充放電過程中可逆反應(yīng)熱部分有正負之分（充電時為負、放電時為正），因此充電過程總生熱量要小于放電過程總生熱量，即充電過程電池溫升小于放電過程溫升。但由于充電過程車輛處于靜止狀態(tài)，電池倉內(nèi)空氣循環(huán)流動僅僅依靠PACK本身散熱風扇，其循環(huán)風量與放電過程（車輛處于運動狀態(tài)）相比可以忽略不計，實際充電過程電池溫升實際要大于放電過程。因此需要將電池發(fā)熱模型耦合到PACK散熱，并與整車散熱結(jié)構(gòu)進行整體分析研究。

3 CDF數(shù)值仿真及優(yōu)化

3.1 PACK箱散熱仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

使用CREO建立PACK箱幾何模型，并用網(wǎng)格劃分軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，結(jié)合建立的鋰電池發(fā)熱模型，采用CFD軟件FLUENT對其流動傳熱特性進行數(shù)值仿真，分析風冷風道內(nèi)流體流動和傳熱特性，研究各部分傳熱熱阻，優(yōu)化電池布置方式和流道結(jié)構(gòu)，降低熱阻，增強PACK箱的傳熱和均熱性能，從而降低單體電池最高溫度和電池之間的溫差。

3.1.1 PACK箱的仿真幾何模型構(gòu)建與網(wǎng)格化

風道結(jié)構(gòu)不變，緊固件、連接件、裝配間隙、倒圓角、倒鈍角等結(jié)構(gòu)均可進行幾何清理

初版方案，計算總散熱量542.8W，其中風道散熱526W，風道風量0.0465m3/s，電芯最高溫度52.2℃，Z型鋁排最高溫度51.5℃。

3.1.2 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化——芯體發(fā)熱速率、材料導(dǎo)熱速率、對流傳熱速率的耦合協(xié)同

（1）增大波浪形風道寬度，相較原始設(shè)計模型，風道壓損減小3.2%，有效風量增加9.7%，電芯最高溫度50.2℃，Z型鋁排最高溫度50.2℃。散熱效果得到優(yōu)化。

（2）原始設(shè)計模型中鋁排與外殼間有間隙，其中充滿空氣，熱阻較大。將外殼緊貼鋁排，考察其對散熱能力的影響。通過外殼散出的熱量增加了23.2%。因外殼散熱量在總散熱量中占比少，約為3.8%，故對電芯總體溫度影響不大，但迎風側(cè)鋁排溫度變化明顯，最高溫度降約2℃。

（3）原始模型風道材料為導(dǎo)熱系數(shù)0.45W/m-k的改進PP塑料，對比使用導(dǎo)熱系數(shù)0.25W/m-k的普通PP塑料，電芯對外散熱熱阻增大，風道散熱能力惡化，導(dǎo)致各零件溫度約有2～3℃的溫升。

3.2 電池艙散熱仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

使用CREO建立電池艙幾何模型，PACK幾何做簡化處理，避免模型過于復(fù)雜，仿真計算無法收斂。采用網(wǎng)格劃分軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，采用CFD軟件FLUENT對其流動傳熱特性進行數(shù)值仿真，分析電池艙內(nèi)流體流動和傳熱特性。

為避免PACK箱內(nèi)電池熱量累積，對電池艙結(jié)構(gòu)和PACK箱布置進行優(yōu)化，使熱量能夠更順暢地從電池艙散到周圍環(huán)境中。優(yōu)化工作主要集中在電池艙格柵結(jié)構(gòu)、電池艙內(nèi)部氣流流動形式以及PACK箱布置方式等方面。

3.2.1 外界氣流組織流場仿真計

假定流體為定常流體，流場為充分發(fā)展的湍流，忽略仿真過程中微小漩渦的影響

考慮仿真體系中的尺寸范圍，整車仿真時分區(qū)生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或者非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

3.2.2 電池艙表面的散熱格柵設(shè)置形式仿真

原車側(cè)面電池艙的散熱格柵均為水平格柵，電池艙內(nèi)進風量較小。

側(cè)面電池艙的散熱格柵修改為豎直格柵，進風量增加了50%以上。

3.2.3 Pack箱排布與格柵形式的耦合匹配——構(gòu)建風道

構(gòu)建循環(huán)風道，側(cè)格柵進風，風量增加明顯，后艙平均溫度約為38℃，較之前降低了約2℃。可以看到，進入后艙的自然風大部分從后部直接出去，仍有較多的熱未完全散出。

3.3 電池、PACK箱、電池艙耦合傳熱機制的整車仿真

由上分析可看到，進入后艙的自然風大部分從后部直接出去，仍有較多的熱未完全散出。設(shè)置擾流板，自靠近里側(cè)風量增加，熱量被帶至后艙門處，強化了電池艙散熱。電池艙里側(cè)溫度降低約2℃，降低了后艙電池高溫報警的幾率。

4 動力鋰電池熱管理基本設(shè)計準則總結(jié)

總結(jié)動力鋰電池熱管理（PACK箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電池艙結(jié)構(gòu)以及PACK箱布置優(yōu)化）優(yōu)化流程，分析電池熱管理數(shù)值分析中存在的關(guān)鍵問題并形成相應(yīng)解決方案;總結(jié)電池熱管理優(yōu)化基本方向，形成電池熱管理基本設(shè)計準則，行成閉環(huán)，反饋指導(dǎo)初次設(shè)計。

5 結(jié)論

本體系基于傳熱學、流體力學、熱力學和動力化學等基礎(chǔ)理論，結(jié)合CFD數(shù)值仿真技術(shù)，分析動力鋰電池發(fā)熱原理、PACK箱內(nèi)部流動傳熱特性以及電池艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)和格柵等重要參數(shù)對動力鋰電池熱管理的影響，構(gòu)建動力鋰電池熱管理仿真體系，量化結(jié)構(gòu)、流量、溫度等重要參數(shù)與熱管理效果的關(guān)系，實現(xiàn)動力鋰電池熱管理優(yōu)化，為鋰電池PACK箱和電池艙的開發(fā)設(shè)計提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

參考文獻：

[1]張劍波，盧蘭光，李哲.車用動力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)與學科前沿[J].汽車安全與節(jié)能學報，2012，3（2）：87-104.

[2]胡銳鴻，電動汽車用鋰離子電池熱特性及散熱裝置的數(shù)值模擬[P].華南理工大學機械與汽車工程學院，2014.