純電動汽車鋰離子電池成組熱效應分析?

嚴剛+李頂根+秦李偉+鄧原冰+竇汝振

摘要：基于采用COMSOL Multiphysics軟件建立鋰離子動力電池熱電耦合模型，分析電池單體充放電過程的熱效應。通過電池單體的平均產熱量計算，結合計算流體動力學（ Computational Fluid Dynamics，CFD）CFD軟件分析電池包在空氣強制冷卻的條件下進行充放電時的熱擴散效應。研究結果表明，電池包內溫度場分布主要受限于空間結構的布置，產生局部熱量集中；依據流場分布優化電池模組的布置可以提高電池包內電池溫度的一致性。

關鍵詞：單體熱效應；平均產熱量；強制風冷；成組熱效應

中圖分類號：TM912.9 文獻標識碼：A

The Thermal Effect Analysis of Lithium-Ion Battery Packs in EV

Yan Gang1， Li Dinggen2， Qin Liwei1， Deng Yuanbing2， Dou Ruzhen3

（1. Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd.，Hefei 230022， China；；

2. Huazhong University of Science and Technology， Wuhan 430064， China；

3. Tianjin Qingyuan Electric Vehicle Co.， Ltd，Tianjin， 300457， China）

Abstract： The thermal effect of lithium-ion battery in the charging discharging processes are analyzed by the coupled thermal electric model build by the software of COMSOL Multi-physics. Through calculating the average heat production and combining CFD software， the thermal diffusion effect in the charging discharging processes are studied with condition of air forced convective cooling. The results indicate that the distribution of temperature field in battery pack are mainly limited to the spatial distribution of batteries， and partial thermal concentration are also generated. Finally， the temperature consistency of batteries can be improved by optimizing the distribution of battery modules in the battery pack based on the consideration of flow field.

Key word： cell thermal effect；， the average heat production，； forced-air cooling；，pack thermal effect

1.前言

電動汽車的是滿足未來更嚴苛排放法規和油耗法規的戰略性選擇，其動力電池的安全問題是制約這項技術工程應用的主要瓶頸。鋰離子動力電池因為本身能量密度高，在惡劣的使用條件下，容易引發電池熱失控，從而 造成火災甚至爆炸[1]。鋰電池的成組結構和冷卻流道設計的不合理，容易導致電池包內溫差過大，電池使用的一致性發生變化，導致電池局部溫度過高而引發熱失控[2]。因此，本文旨在通過合理優化強制風冷的結構，進而優化冷卻空氣的流場、以及電池組的溫度場，提高單體電池運行工況的一致性，降低熱失控發生的風險。

12. 某型軟包鋰電池電化學模型建立及網格劃分

選用某公司生產的某型軟包電池作為模擬和試實驗對象，該型號電池基本數據如下。

12.1軟包電池電化學模型建立

電池單體產熱由電池電化學反應產生，單體電化學模型根據相關電極理論[3-6] 建立，菲克定律提出了電池內部的正負極固相粒子擴散而引起的鋰離子濃度變化的控制方程為：

。

（2-1）

式中： 為電解液鋰離子濃度，； 為電極插層粒子徑向坐標。

描述電池固相電流密度與固相電勢梯度關系的控制方程為：

。

（2-2）

式中： 為一維坐標模型的梯度算子，； 為電流密度，單位A/m2， 是指有效固相電導率，； ， 是指固相多孔電極的體積分數，而 是指固相填充劑的體積分數。

固相電流密度梯度與孔隙壁鋰離子流動的聯系為：

。

（2-3）

式中： 為固相電流密度；， 為法拉第常數 ；， 為相對表面積， ， 為電極插層離子的半徑。

電解質液相電流密度梯度與孔隙壁鋰離子流動控制方程為：

。

（2-4）

式中： 為液相電流密度， 單位A/m2。

Bulter-Volmer方程用來計算通量的大小和方向，建立粒子輸運與局部電流之間的聯系：

（2-5）

式其中： 為表面過電勢。

在電化學過程中，電池產生的熱量 由可逆熱 和不可逆熱 兩方面構成：

。

（2-6）

可逆熱源為 ：

。

（2-7）

式其中： 為電流局部密度，單位A/m2；， 為活性材料活性比表面積，單位m2；， 為電池平均溫度，單位K；， 為電池平衡電位對溫度導數。

不可逆熱為 ：

（2-8）

式其中： 為電流局部密度，單位A/m2；， 為活性材料活性比表面積，單位m2，； 為電池過電位。

電池能量守恒控制方程為：

（2-9）

式其中： 為電池密度，單位kg/m3；， 為電池比熱容，單位J/（kg·K）；， 為電池溫度，單位K；， 為電池導熱系數。

邊界條件為：

。

（2-10）

式其中： 為導熱率；， 為電池與環境換熱系數；， 為環境溫度，單位K。

12.2軟包電池單體熱效應分析

為得到電池在正常工作范圍內的產熱量，選取電池單體充放電循環進行熱效應分析，設定電池以1C（26 A）進行兩個周期的充放電循環，每個周期為600 s，循環充放電電流函數如圖1所示，環境初始溫度為20 ℃，電池與環境之間的換熱系數為20 W/（m2·k）。

圖2為電池溫度、，電壓和，電流對時間的曲線圖。由圖2可知，電池第1一個充電過程升溫16 ℃，第1一個放電過程升溫6 ℃，電池充電過程中的升溫速率高于電池放電過程。由于因為溫度是影響電池充放電性能的重要因素之一，初始階段電池在較低的環境溫度下充電，電解液導電率低，鋰離子在活性材料中的擴散速度相對較慢，內阻大，歐姆熱較多，且電池初始溫度與環境溫度相差不大，散熱量也較小，因此充電初期電池升溫較快；隨著充電的進行，電池溫度逐漸升高，鋰離子在電池內活性材料的擴散性增強，電池內阻逐漸減小，使歐姆熱變小，電池總產熱量下降，電池升溫速率逐漸降低，最后呈現生熱速率與散熱速率達到平衡的趨勢。

Li J， Cheng Y， Ai L [7]等人的研究表明，，鋰離子在電解液中的擴散速率與電解液活性相關，而電點解液的活性又與溫度電池的工作溫度關系最大。若電池長時間在低溫環境下工作，電池的持續放電時間將下降，放電性能降低且恢復性很差，且電池容量也將迅速衰減。但隨著電池溫度的升高，電池內部電解液物理活性變強，電化學反應速率增大，鋰離子擴散能力增強，內阻相對較小，放電性能較好，電池進入最佳工作溫度范圍，充放電容量有所增加。但是持續的高溫工作加速了電極和電解液的老化速率，因此使電池保持在一個較適宜的環境溫度下工作是保證電池工作性能的必要條件。

鋰離子動力電池產生的熱主要由三部分構成：電化學反應所產生的化學反應熱Qr，、鋰離子在各組成結構材料內傳遞受到的物理阻力所產生的歐姆內阻熱Qj，、電極在發生化學反應過程中引起的極化電阻和鋰離子運輸過程中產生的容差極化內阻所產生的極化熱Qp[8] 。圖3為電池單體產熱量對時間曲線圖。由圖3可知，電池在進入充電階段時開始產熱，初始階段電池處于相對適宜的工作溫度充電，電池產熱量不大。隨著電池溫度升高，電池活性材料變活躍，電池內部反應急劇加快，電池產熱量急劇增大。當電池進入放電階段時，鋰離子向方向遷移，產熱機理發生變化，電池產熱量下降。隨著電池持續放電，電池溫度越來越高，放電階段產熱量急劇增大，在放電末期達到整個過程的最大值310 000 W/m3。對圖3進行數據處理，得到電池平均產熱量為189 260 W/m3。

23.電池模塊熱效應分析

將電池單體進行3并96串組合成電動汽車電池包，這里取整個電池包的六分之一，3并16串進行電池包冷卻模擬研究。

23.1電池組結構模型建立與網格劃分

電池作為高溫熱源，通過冷空氣將表面的多余熱量帶走，其整個傳遞過程在不考慮輻射傳熱的情況下，主要遵循導熱定律與對流定律[9]。圖4為簡化電池組模型，其中綠色部分為電池組，藍色部分為冷卻空氣，左下角紫色為入口，右上角為出口，紅色為對稱面。圖5為網格劃分，網格總數735 631個，邊界層設置及局部細化滿足電芯間隔要求。

23.2物理場設置

設定電池內部材料及冷卻空氣的物性參數。電池內部單體為生熱源，其密度約為2 173 kg/m3，導熱系數為1.21 W/（m·K），平均比熱容設定為895 J/（kg·K-1），通過對電池單體熱模擬得到電池平均生熱量189 260 W/m3，冷卻流體設置為空氣。計算模型選為能量守恒方程與湍流 方程。該方程是一種最為常用的工程上計算湍流流動的基本模型，包括湍流脈動動能方程 方程與耗散率方程 方程。邊界條件設定：入口處流為25 m/s，空氣溫度為298.15 K；出口類型為outlet-pressure出口壓力，表壓為0 Pa，溫度為298.15 K；壁面處可默認為無滑移的邊界條件，其法向上壓力梯度為0，壁面無反射條件。

23.3仿真計算結果分析

通過仿真計算，得到內部流體流場與溫度場的三維圖像，這里選取Z=100 mm橫截面處對其溫度分布及速度分布進行分析。由圖5可知，電池包內最低溫度為305 K，最高溫度為313 K，最高溫度與最低溫度相差8 K，電池包內溫差較大。電池單體表面最高溫度為313 K，最低溫度為310 K，溫差為3 K，屬于鋰離子電池包安全工作范圍內。從各個模組之間的溫度差來看，處于3號位到8號位的電池其溫度分布較為均勻，整體散熱狀態較好。而位于1號位和2號位的電池其溫度明顯超過其它他電池，且其工作溫度接近電池安全工作溫度上限，主要原因為位于1號位和，2號位的兩塊電池部分處于流動死角區域，散熱效果不佳，熱量無法帶出導致引起溫度升高。

由圖6可知，冷卻空氣由入口處流入后，其速度沿水平方向逐漸降低，由于電池包的空氣流道很寬，而電池間的通道縫隙非常狹窄，因此空氣在流道里流速很大，可將電池邊緣的熱量迅速帶走，但在冷卻介質在電池之間的流動效果不好，導致電池與電池交界處難以達到理想的散熱的效果，而靠近冷卻空氣入口另一側的冷卻空氣最少，此區域的氣流基本處于靜止狀態（圖5和，圖6的紅色方框區域）。氣流從進氣口流入，在無阻力情況下直接流入電池包底部，又再因流動受阻，氣流穿過電池間的間隙流向電池另一側，而該區域由于另一側為進氣口，壓差較小，所以進氣口氣流通過電池間隙流入該區域的流量較少，流速已經基本趨近于0，方框內區域在該結構內屬于流動死角，氣流基本處于靜止狀態。圖6紅色方框區域內的氣流基本處于靜止狀態，導致該區域基本沒有強制對流換熱，對應圖5該區域的溫度也最高，這樣的流場死角勢必對電池組的散熱帶來不利的影響。

通過對比分析電池組內部流場的速度分布與溫度分布的圖像可以對比出兩者之間存在的必然聯系。在空氣流動速度較快的流場周圍，其電池溫度相對較低，散熱情況較好，而流動速度較慢處，電池的熱量容易產生堆積，減低其散熱性能，造成溫度的增加。綜合分析，該結構的優點在于其電池之間的狹窄的散熱通道對于風機吹入的冷卻空氣起到了抽吸的作用，使得空氣流速迅速增加，達到散熱的目的。而散熱性能不理想的部分也正是由于空氣流動受阻所造成，存在流場死角，因此，提高空氣的流動速度是改進電池組散熱性能的一種有效方法。

34.結論

電池包在高倍率（1C26 A）充放電循環中，產熱功率較大，但電池包冷卻系統仍能保證電池在電池的包允許溫差范圍內工作，說明這種結構可以滿足電池包冷卻要求。但電池包因結構問題，仍然存在流場死角，使電池包出現溫度分布不均勻的問題。而由結論可知得，電池包內溫度分布和電池包內流場速度分布具有高度一致性，所以可以進一步考慮通過優化電池包結構，消除流場死角，改善流場流動的方式提高電池包內部溫度一致性。

參考文獻：

[1] 王青松，，孫金華，，陳思凝等，，等. 鋰離子電池熱安全性研究進展[J].電池工業，2005， 35（3）： 240-241.

WANG Qingsong， SUN Jinhua， CHEN Sining， et al. Research Progress in Thermal Safety of Li-Ion Batteries [J]. Journal of Battery Bimonthly， 2005， 35（3）： 240-241.（in Chinese）

[2] BIENSAN P.， SIMON B.， PERES J .P.， et al. ，On Safety of Lithium-Ion Cells [J]. Journal of Power Sources， Power Sources， 1999， 81-82 （99）： 906-912.

[3] KUMARESAN K， SIKHA G， WHITE R E. Thermal Model for a Li-Ion Cell [J]. Journal of the Electrochemical Society， 2008， 155（2）： A164-A171.

[4] BERNARDI D M， GO J -Y. Analysis of Pulse and Relaxation Behavior in Lithium-Ion Batteries [J]. Journal of Power Sources， 2011， 196（1）： 412-427.

[5] HALLAJ A1 Hallaj S A， MALEKI H， HONG J -S， et al. Thermal Modeling and Design Considerations of Lithium-Ion Batteries [J]. Journal of Power Sources， 1999， 83 （1）： 1-8.

[6] AL-HALLAJ S， SELMAN J R. Thermal Modeling of Secondary Lithium Batteries for Electric Vehicle/Hybrid Electric Vehicle Applications [J]. Journal of Power Sources， 2002， 110（2）： 341-348.

[7] LI J， CHENG Y， AI L， et al. 3D Simulation on the Internal Distributed Properties of Lithium-Ion Battery with Planar Tabbed Configuration [J]. Journal of Power Sources， 2015， 293： 993-1005.

[8] MALEKI H， DENG G， ANANI A， et al. Thermal Stability Studies of Li-‐Ion Cells and Components [J]. Journal of the Electrochemical Society， 1999， 146（9）： 3224-3229.

[9] 付正陽，，林成濤，，陳全世. ，電動汽車電池組熱管理系統的關鍵技術[J]. 公路交通科技，2005， .22（3）： 119-123.

FU Zhengyang， LIN Chengtao， CHEN Quanshi，. Key Technologies of Thermal Management System for EV Battery Packs [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2005， 22（3）：119-123.2005.11. （in Chinese）

作者介紹：

責任作者照片：

嚴剛（1963年12月-），男，安徽巢湖人。，高級工程師，主要研究方向為汽車研發與銷售。

Tel：0551-62259097

E-mail：qlw.xny.jszx@jac.com.cn

通信作者照片：

李頂根（1977-） 男（漢族），安徽桐城人。，副教授，主要研究方向為從事動力電池測控和、動力機械電子控制技術研究。

Tel：027-87542418

E-mail：lidinggen@hust.edu.cn