孫明生，洪 杰，李 揚(yáng)，徐志成，范 奇，王 軍

(1. 江蘇省新能源開發(fā)股份有限公司，南京 210005；2. 江蘇省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096；3. 東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096)

0 引言

可再生能源電力具有波動(dòng)性與間歇性，其大規(guī)模接入電力系統(tǒng)，會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的引入可以有效提高可再生能源電力接入電力系統(tǒng)的效率與電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性[1]。目前，鋰電池作為許多手持式和便攜式電子設(shè)備的主要電源，也越來(lái)越多地被應(yīng)用于電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)中[2-4]。但熱失控問題始終是阻礙鋰電池在不斷發(fā)展的儲(chǔ)能市場(chǎng)中廣泛應(yīng)用的主要原因之一[5]，即鋰電池在工作過程中會(huì)產(chǎn)生溫升現(xiàn)象，這將極大影響其自身壽命并帶來(lái)安全隱患[6]。本文根據(jù)特定型號(hào)的鋰電池在不同倍率下的充放電溫升實(shí)驗(yàn)，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)并建立鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型，通過ANSYS仿真軟件模擬相應(yīng)工況，并通過改變鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出可改善鋰電池工作溫度的可行性方法。

1 鋰電池充放電溫升實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文以深圳普蘭德儲(chǔ)能技術(shù)有限公司生產(chǎn)的E6Y-10S型號(hào)的鋰電池作為研究對(duì)象。該鋰電池內(nèi)部由10節(jié)電芯串聯(lián)組成，標(biāo)稱容量為200 Ah，標(biāo)稱電壓為32 V。鋰電池的實(shí)物如圖1所示。

圖1 鋰電池的實(shí)物圖Fig. 1 Photo of lithium battery

充放電溫升實(shí)驗(yàn)使用的設(shè)備為寧波拜特測(cè)控技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的電池性能測(cè)試儀，其實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 電池性能測(cè)試儀實(shí)物圖Fig. 2 Photo of battery performance tester

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

充放電溫升實(shí)驗(yàn)中控制鋰電池的充電電流為40 A，主要通過改變鋰電池的放電電流來(lái)研究其在工作過程中的溫度變化。具體的實(shí)驗(yàn)流程為：

1)鋰電池靜置60 s；

2)對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流充電，充電電流為40 A，充電倍率為0.2 C；

3)充電后的鋰電池靜置600 s；

4)對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流放電，放電電流分別為40、60、80、100 A，對(duì)應(yīng)的放電倍率分別為0.2、0.3、0.4、0.5 C。

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將通過充放電溫升實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，以鋰電池溫度的絕對(duì)溫升和絕對(duì)溫降來(lái)表示鋰電池的溫度變化。充電階段的倍率均為0.2 C，充放電之間靜置時(shí)間為600 s，不同放電倍率時(shí)鋰電池的溫升-時(shí)間曲線如圖3～圖6所示。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為1組存在規(guī)律的散點(diǎn)，溫升-時(shí)間曲線是通過將散點(diǎn)進(jìn)行歸類整理得到的，其主要是為了突出一段時(shí)間后鋰電池的溫升結(jié)果，并未對(duì)中間的發(fā)熱過程進(jìn)行具體研究。顯而易見的是，鋰電池的發(fā)熱并不均勻，因此溫升-時(shí)間曲線應(yīng)該是不規(guī)則的曲線，但由于本文的研究重點(diǎn)在于鋰電池具體的溫升結(jié)果，因此此處進(jìn)行了簡(jiǎn)化。此外，由于本文將鋰電池的充電與放電過程看成2次溫升過程，而每個(gè)過程均存在溫升，因此圖中均有2條溫升曲線。

圖5 充電倍率為0.2 C、放電倍率為0.4 C時(shí)鋰電池的溫升-時(shí)間曲線Fig. 5 Temperature rise-time curve of lithium battery at charging rate is 0.2 C and discharge rate is 0.4 C

圖6 充電倍率為0.2 C、放電倍率為0.5 C時(shí)鋰電池的溫升-時(shí)間曲線Fig. 6 Temperature rise-time curve of lithium battery at charging rate is 0.2 C and discharge rate is 0.5 C

從圖3～ 圖6中可以看出，在充電倍率均為0.2 C的情況下，隨著放電倍率的增大，放電階段鋰電池的溫升逐漸提高。

將不同放電倍率(0.2～0.5 C)下鋰電池的溫度變化結(jié)果用origin軟件進(jìn)行線性擬合，得到的溫升-放電倍率擬合曲線如圖7所示。

圖7 鋰電池的溫升-放電倍率擬合曲線Fig. 7 Temperature rise-discharge rate fitting curve of lithium battery

從圖7可以得到鋰電池的放電倍率與其溫升的關(guān)系為：

式中，x為放電倍率；y為鋰電池的溫升。

該鋰電池的工作溫度限值為-20～+55 ℃，由式(1)可知，在環(huán)境溫度為15 ℃的條件下，放電倍率超過3.67 C時(shí)，鋰電池的工作溫度將在放電期間超出其工作溫度的限值，引發(fā)危險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)鋰電池進(jìn)行散熱優(yōu)化。

2 鋰電池的充放電溫升仿真分析

采用ANSYS仿真軟件建立鋰電池的熱效應(yīng)三維模型，確定充放電仿真中各項(xiàng)參數(shù)的值，研究鋰電池工作過程中的溫升情況，對(duì)鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的散熱優(yōu)化進(jìn)行分析。

2.1 鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型的建立

本文使用ANSYS仿真軟件對(duì)鋰電池進(jìn)行熱效應(yīng)三維模型的建立。該鋰電池外部尺寸的長(zhǎng)、寬、高分別為424 mm、308 mm、300 mm；其中，鋰電池的鋁合金外殼，厚度在X方向和Y方向均為3 mm，在Z方向?yàn)? mm；單體電芯的間隙在X方向?yàn)? mm，在Y方向?yàn)? mm。為了簡(jiǎn)化模型，所建立的三維模型忽略了鋰電池的正、負(fù)極柱。建立的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型如圖8所示。

圖8 鋰電池的熱效應(yīng)三維模型Fig. 8 Thermal effect 3D model of lithium battery

為了提高ANSYS仿真軟件的計(jì)算速度和收斂速度，使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為650422個(gè)。鋰電池外部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分分別如圖9、圖10所示。

圖9 鋰電池外部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分圖Fig. 9 Grid division diagram of external structure of lithium battery

圖10 鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分圖Fig. 10 Grid division diagram of internal structure of lithium battery

2.2 鋰電池的充放電溫升仿真中各項(xiàng)參數(shù)的確定

實(shí)驗(yàn)選用的鋰電池外殼所用材料為鋁合金，前、后壁鋁合金外殼的厚度均為2 mm，其他壁面鋁合金外殼的厚度均為3 mm；鋰電池外部的對(duì)流換熱介質(zhì)為空氣。查閱技術(shù)手冊(cè)《量熱技術(shù)和熱物性測(cè)定》[7]，可得到不同物質(zhì)的各項(xiàng)特性參數(shù)，具體如表1所示。

表1 不同物質(zhì)的特性參數(shù)表Table 1 Characteristic parameters of different substances

將上述參數(shù)在軟件中設(shè)置好之后，利用實(shí)驗(yàn)中充電與放電之間靜置600 s時(shí)間的溫降來(lái)確定鋰電池表面自然散熱的對(duì)流傳熱系數(shù)。設(shè)定鋰電池的初始溫度為19 ℃，當(dāng)對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)置為5 W/m2時(shí)，鋰電池的溫降模擬結(jié)果如圖11所示。

從圖11中可以看出，鋰電池在靜置600 s后的溫降約為0.09 ℃，與前文實(shí)驗(yàn)得到的溫降0.1℃這一結(jié)果的誤差較小，滿足需求。

設(shè)定鋰電池的初始溫度為15 ℃，利用其在實(shí)驗(yàn)中充電階段的溫升數(shù)據(jù)及驗(yàn)證后的對(duì)流換熱系數(shù)，對(duì)充電倍率為0.2 C的充電階段的鋰電池進(jìn)行模擬計(jì)算，以確定鋰電池的生熱速率，得到的結(jié)果如圖12所示。

圖12 以0.2 C的充電倍率恒流充電時(shí)鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 12 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery when constant current charging at charging rate of 0.2 C

從前文圖3～ 圖6的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，以0.2 C的充電倍率完成恒流充電后，鋰電池的平均溫升為4.2 ℃。仿真模擬時(shí)通過不斷調(diào)試，將內(nèi)部單體電芯的生熱速率設(shè)定為85 W/m2，可得到近似結(jié)果。因此，每個(gè)單體電芯均可近似視作1個(gè)以85 W/m2生熱速率均勻發(fā)熱的熱源。

以此類推，可以得到分別以0.2、0.3、0.4、0.5 C的放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱速率，仿真模擬結(jié)果如圖13～ 圖16所示。

圖13 以0.2 C的放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 13 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.2 C

圖14 以0.3 C的放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 14 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.3 C

圖15 以0.4 C的放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 15 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.4 C

由圖13～圖16的仿真模擬結(jié)果可以得到不同放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱速率，具體如表2所示。

表2 不同放電倍率恒流放電時(shí)鋰電池的生熱速率結(jié)果Table 2 Results of heat generation rate of lithium battery under constant current discharge with different discharge rates

3 鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)散熱優(yōu)化的仿真分析

實(shí)驗(yàn)選用的鋰電池內(nèi)部單體電芯的結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體，截面形狀為矩形，尺寸為150 mm×58 mm。現(xiàn)保持單體電芯的截面積基本不變且長(zhǎng)度不變，將截面形狀改為93.274 mm×93.274 mm的正方形，并保持各單體電芯的間隙和鋰電池外部鋁合金外殼的厚度不變。內(nèi)部單體電芯的截面形狀改為正方形后的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型如圖17所示。對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，鋰電池外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果分別如圖18、圖19所示。

圖17 內(nèi)部單體電芯的截面形狀改為正方形后的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型Fig. 17 Thermal effect 3D model of lithium battery after cross-section shape of internal single cell is changed to square

圖18 內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后的鋰電池外部結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig. 18 Grid division result of external structure of lithium battery with changed internal structure

在單體電芯數(shù)量、環(huán)境溫度、各項(xiàng)散熱系數(shù)和鋰電池的生熱速率均保持不變的情況下，測(cè)量與此前實(shí)驗(yàn)中相同充、放電倍率下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后的鋰電池的溫升情況，其生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布情況分別如圖20～圖24所示。

圖21 以0.2 C的放電倍率恒流放電時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 21 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.2 C

圖22 以0.3 C的放電倍率恒流放電時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 22 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.3 C

圖23 以0.4 C的放電倍率恒流放電時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 23 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.4 C

圖24 以0.5 C的放電倍率恒流放電時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后鋰電池的生熱溫度場(chǎng)和截面溫度分布Fig. 24 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.5 C

由于改變了截面形狀，雖然單體電芯的體積不變，但單體電芯的表面積及鋰電池表面的鋁合金外殼的表面積均發(fā)生了變化。將內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變后的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型與原始熱效應(yīng)三維模型的仿真結(jié)果和表面積變化進(jìn)行匯總，如表3所示。

表3 不同鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型時(shí)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的對(duì)比Table 3 Comparison of various data in different thermal effect 3D models of lithium battery

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單體電芯的截面積基本不變但截面形狀由矩形變?yōu)檎叫螘r(shí)，單體電芯的表面積及鋰電池鋁合金外殼的表面積均有所減小，這意味著整個(gè)電池組內(nèi)所有單體電芯的總散熱量會(huì)相應(yīng)降低，并不利于鋰電池的溫度控制。但同時(shí)，電池組內(nèi)部的流道空間有所增大，相應(yīng)會(huì)增大電池組內(nèi)部的對(duì)流傳熱效果，從而帶走更多熱量。

截面形狀由矩形變?yōu)檎叫魏螅瑥碾姵亟M內(nèi)部單體電芯的溫升結(jié)果可以看出，在各個(gè)充、放電倍率時(shí)，電池組內(nèi)部所有單體電芯的溫升值均相應(yīng)減小，從而使整個(gè)鋰電池的溫升值也相應(yīng)減小。由此可以表明，在單體電芯的截面積基本相同時(shí)，相對(duì)于矩形截面，正方形截面更有助于鋰電池的熱管理優(yōu)化，主要原因在于電池組內(nèi)部的流道空間增大，提升了電池組內(nèi)部的對(duì)流傳熱效果，從而帶走了更多熱量。

4 結(jié)論

本文對(duì)特定型號(hào)的鋰電池在室溫、無(wú)散熱條件下進(jìn)行了特定充、放電倍率的充放電溫升實(shí)驗(yàn)，并得到了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；在建立相應(yīng)的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型后，確定了仿真中對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)；隨后通過將鋰電池內(nèi)部單體電芯的截面形狀從矩形改為正方形，探究了改善鋰電池工作溫度的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)鋰電池進(jìn)行特定倍率下的充放電溫升實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在充電倍率不變時(shí)，隨著放電倍率的增加，鋰電池的整體溫升也逐漸提高。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合推演可知，實(shí)驗(yàn)所選用的鋰電池在環(huán)境溫度為15 ℃的條件下，放電倍率超過3.67 C時(shí)其工作溫度將在放電期間超出自身工作溫度的限值，引發(fā)危險(xiǎn)。因此，對(duì)鋰電池進(jìn)行散熱優(yōu)化很有必要。

2)通過仿真建立新的鋰電池?zé)嵝?yīng)三維模型，保持內(nèi)部單體電芯的截面積基本不變且長(zhǎng)度不變，將截面形狀由矩形改為正方形，并維持單體電芯的數(shù)量和間隙、鋰電池外表面的鋁合金外殼厚度、環(huán)境溫度、各項(xiàng)散熱系數(shù)和鋰電池的生熱速率均不變，此時(shí)由于電池組內(nèi)部的流道空間增大，相應(yīng)會(huì)提升電池組內(nèi)部的對(duì)流傳熱效果，從而會(huì)帶走更多熱量。正方形截面的鋰電池?zé)嵝?yīng)模型在由表面積減小引起的整體散熱量降低的情況下，在相同的放電倍率時(shí)引起的溫升更小，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)鋰電池的熱管理有一定的優(yōu)化效果。未來(lái)可對(duì)該散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能。