王紅民 陳亞樓 胡銳鴻 上官文斌★

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)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(yīng)不明顯等優(yōu)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(chǎn)生熱量，如果不及時散熱，就會導(dǎo)致電池溫度升高，從而影響電池的使用性能和壽命，甚至導(dǎo)致電池發(fā)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(nèi)，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(tǒng)主要有：風(fēng)冷、液體冷卻和相變材料冷卻三種，由于風(fēng)冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、安全可靠等優(yōu)點，而被廣泛應(yīng)用于電動汽車電池組的熱管理系統(tǒng)中。掌握電池單體的散熱特性對優(yōu)化設(shè)計大型風(fēng)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(shù)值模擬研究。

1 電池生熱及電池物理參數(shù)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(shè)電池內(nèi)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(nèi)阻；E0表示電池開路電壓；T表示溫度；TdE0/dt表示可逆反應(yīng)熱[3]。

1.2 電池物理參數(shù)

電池內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，其物理參數(shù)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(jù)每種材料的密度和比熱容，通過加權(quán)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(nèi)部軸向和徑向?qū)崧实拇_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(dǎo)熱系數(shù)；Ai為對應(yīng)傳熱方向上的截面積；krθ為徑向?qū)崧?；kz為軸向?qū)崧省?/p>

1.3 26650型磷酸鐵鋰電池參數(shù)的確定

電池各個層面材料的物理參數(shù)如表1所示[5-6]。將電池簡化為均勻內(nèi)熱源模型，根據(jù)表1中電池各層材料的物理參數(shù)計算出電池的平均比熱、密度、徑向和軸向?qū)嵯禂?shù)，如表2所示。

表1 電池各個層面材料的物理參數(shù)

表2 電池的平均物理參數(shù)

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(shù)值仿真模型，并完成網(wǎng)格劃分。首先在軟件中建立電池的圓柱體模型，創(chuàng)建電池整體的block，對block劃分并建立相對應(yīng)的映射關(guān)系，之后設(shè)置各個方向的節(jié)點數(shù)目，軸向節(jié)點數(shù)目設(shè)置為140個，圓截面各個方向節(jié)點均設(shè)置為50個，然后將網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為21萬左右，網(wǎng)格質(zhì)量均在0.7以上。在每次數(shù)值模擬之前，首先進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證。

3 電池表面為空氣自然對流冷卻時，電池內(nèi)部的溫度分布

把電池網(wǎng)格模型導(dǎo)入FLUENT軟件，材料區(qū)設(shè)置電池物理參數(shù)，加載軸向與徑向?qū)嵯禂?shù)，中心軸加載內(nèi)熱源，表面區(qū)域設(shè)置對流換熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)取10W/（m2·K）。在環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)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(nèi)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(nèi)部沿徑向每一點的溫度都升高，這是電池產(chǎn)生的熱量增多所致。當(dāng)環(huán)境溫度和電池表面的對流換熱系數(shù)相同時，放電倍率增大，電池內(nèi)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(shè)計了參數(shù)為70mm×36mm×114mm的冷卻風(fēng)道。使用ICEM-CFD劃分網(wǎng)格，流體區(qū)域網(wǎng)格最大比例取2.5，其余區(qū)域取2，網(wǎng)格形狀為四面體，在電池表面與空氣接觸的區(qū)域生成邊界層，網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在FLUENT軟件中，采用穩(wěn)態(tài)控制方程，入口設(shè)置為速度入口，速度變化范圍為1～10m/s，入口溫度和環(huán)境溫度均為298K，出口設(shè)置為outflow，電池表面換熱條件設(shè)置為耦合，冷卻風(fēng)道壁面設(shè)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(shè)定為二階。松弛因子設(shè)定為默認值。

圖2 散熱裝置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖3為不同風(fēng)速及放電倍率下，電池內(nèi)部最高溫度的變化曲線。在入口風(fēng)速相同的條件下，放電倍率越大，電池內(nèi)部最高溫度越高；放電倍率越大，冷卻風(fēng)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(fēng)速的增加而降低，因為風(fēng)速越大，電池表面與空氣的對流換熱越強。但風(fēng)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(fēng)速越大，對電池溫度的影響越小。

圖3 不同風(fēng)速及放電倍率下，電池內(nèi)部最高溫度的變化曲線

5 結(jié)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(fēng)速對電池溫度的影響越大。在同一放電倍率下，風(fēng)速越高，電池溫度越低。但當(dāng)風(fēng)速增大到一定值后，進一步增大風(fēng)速對電池溫度的影響越來越小。