楊震

摘 要：本文以鋰鈷電池為研究對(duì)象，分析了鋰離子電池的生熱過程及傳熱特性，對(duì)電池的發(fā)熱情況做了模型構(gòu)建，分析了汽車動(dòng)力電池?zé)醾鲗?dǎo)特征，從而驗(yàn)證了電池?zé)崮Ｐ偷暮侠硇砸约跋嚓P(guān)物理性能變量，基于此進(jìn)一步分析不同工況下的空氣冷卻方式對(duì)電池組溫升的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)制空調(diào)熱冷卻方式可以大大提高了電池的冷卻效果，對(duì)汽車動(dòng)力電池的可持續(xù)運(yùn)行具有重要意義。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 熱特性 降溫控制

Study on heat conduction characteristics and cooling control of automotive power battery

Yang Zhen

Abstract：This study covers the lithium cobalt electrode. As a part of the research， the characteristics of heat generation in the lithium electrodes are analyzed. In addition， the battery thermal sequence test was carried out， and the temperature rise data of the test and numerical simulation were compared.? Based on the further analysis of physical performance obtained by air cooling technology on different working conditions at different temperature levels， it is concluded that the forced air flow? cooling technology can significantly improve the battery cooling performance.

Key words：Power battery; Thermal characteristics; Cooling control

1 鋰離子電池?zé)崽匦苑治?/p>

當(dāng)前，鋰離子電池使用時(shí)的主要安全隱患在于高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，電池內(nèi)部的熱量分布不均且散熱過慢，這可能導(dǎo)致電池著火或爆炸。造成此問題的主要原因是電池內(nèi)部的SEI膜在80℃時(shí)分解，電極與電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生了大量的熱能[1]。所以對(duì)鋰離子電池的熱特性進(jìn)行測(cè)試具有實(shí)踐意義。

1.1 發(fā)熱系統(tǒng)分析

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池的內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)和物理電阻是電池生熱的主要誘因。另外，當(dāng)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，鋰離子在電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間移動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生內(nèi)部極化電阻?，F(xiàn)代鋰離子電池的理論研究表明，鋰離子電池在使用過程中產(chǎn)生的總溫度由以下成分組成：反應(yīng)溫度Q1，內(nèi)部極化電阻Q2，由歐姆電阻產(chǎn)生的內(nèi)部電阻熱Q3，以及副反應(yīng)熱能Q4。設(shè)鋰電池的實(shí)際總熱功率為Qtotal，則有如下公式[2]：

常用的理論計(jì)算方法是根據(jù)Bernadi于1985年提出的電池內(nèi)部熱能均勻分布的前提下，以此構(gòu)建電池生熱模型，該假設(shè)基于電池內(nèi)部熱源穩(wěn)定且產(chǎn)生的熱量均勻分布，通過不斷試驗(yàn)，生熱速率可以簡(jiǎn)化為如下所示[3]：

此次試驗(yàn)使用當(dāng)前的一般理論計(jì)算方法估算鋰離子電池的生熱情況。

1.2 熱傳導(dǎo)性能分析

以鋰離子電池為研究對(duì)象，內(nèi)部電池的傳熱方法主要包括電池的內(nèi)部導(dǎo)熱性，電池的外部輻射傳熱以及電池與空氣之間的對(duì)流傳熱。同時(shí)，鋰離子電池所產(chǎn)生的發(fā)熱情況屬于能量轉(zhuǎn)換過程，因此必須遵守能量守恒定律[4]：

其中，Qt表示電池功能作用下產(chǎn)生的總熱量;Qa為電池吸熱熱量，Qb為電池與環(huán)境互相傳遞的熱量，△T為溫差，則電池本身吸收的熱量可以使用以下公式計(jì)算[5]：

其中，mi表示電池的微原體質(zhì)量，C是電池內(nèi)部比熱。由于存在溫差所以電池內(nèi)部會(huì)進(jìn)行熱傳遞，通常由熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及熱輻射的形式進(jìn)行。根據(jù)主、次情況不同，因此可以在估算電池的溫度時(shí)忽略一些熱交換情況[6]。

2 溫升特性實(shí)驗(yàn)

本文在室溫為25℃的情況下對(duì)圓柱形18650鋰離子電池上進(jìn)行2A、3A、4A和5A直流放電進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。主要測(cè)試電池的表面溫度。與內(nèi)部電阻器實(shí)驗(yàn)相比，溫升測(cè)試實(shí)驗(yàn)規(guī)避了脈沖放電過程，主要是在一定時(shí)間內(nèi)不斷對(duì)電池放電并輸出相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1）在室溫25℃下，以正常充電模式對(duì)實(shí)驗(yàn)鋰離子電池充滿電，然后放置t時(shí)間;2）設(shè)置連續(xù)放電電流為2A，并根據(jù)SOC值累加方法確定連續(xù)放電時(shí)間為2400秒，以使電池空間處于完全放電狀態(tài);3）恒流放電時(shí)，每400秒用紅外測(cè)溫儀檢查電池表面溫度并記錄數(shù)據(jù);4）放電電流分別為為3A、4A和5A時(shí)，連續(xù)放電時(shí)間設(shè)定為2400s、1800s、1440s，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟并相應(yīng)地調(diào)整記錄時(shí)間，分別約為200s和150s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示如圖1所示：

分析可知在相同的放電時(shí)間內(nèi)放電電流越大，電池表面的溫度越高。

3 電池組熱模型和空氣冷卻仿真分析

通過CFD對(duì)給定恒定電流的電池冷卻形態(tài)進(jìn)行模擬，分析電池組在不同放電電流和冷卻條件下的溫度升高特性。選擇放電電流為2A、3A、4A和5A，在模擬動(dòng)力電池冷卻時(shí)，冷卻空氣被認(rèn)為是密度等定的流體。

3.1 電池組模型

為了確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量并提高計(jì)算速度，電池組的網(wǎng)絡(luò)模型使用組織化網(wǎng)格劃分方法將模型分為多網(wǎng)格形式。電池和流體的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量為189587，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為171328。

3.2 電池組冷卻仿真

參考流體系統(tǒng)的傳遞情況，流體的流動(dòng)狀態(tài)主要包括層流和湍流。流體以層流的形式流動(dòng)的特征在于流體僅根據(jù)軸向運(yùn)動(dòng)，以湍流形式流動(dòng)的流體在各個(gè)方向都有速度，沒有特殊的規(guī)律[8]。雷諾系數(shù)Re通常用于定義流體流動(dòng)狀態(tài)。本部分試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)口主要參數(shù)（湍流）如表1所示：

3.3 不同冷卻條件下鋰離子動(dòng)力電池組熱特性分析

通過以下兩個(gè)工況條件來分析和討論電池組的溫升特性：1）25℃的環(huán)境風(fēng)在電池4A和5A放電時(shí)的溫度變化;2）20℃空調(diào)風(fēng)下以4A和5A放電的溫度影響。

3.3.1 環(huán)境風(fēng)對(duì)流冷卻方式

環(huán)境風(fēng)溫度冷卻方法利用自然界中的自然風(fēng)來冷卻電動(dòng)汽車的電池，并且周圍的風(fēng)溫與電池所在的環(huán)境溫度基本相同，在此部分中設(shè)定的環(huán)境溫度為25℃。

（1）將冷空氣溫度設(shè)定為25℃，并將冷卻入口的流體流速設(shè)定為2m/s和4m/s。在這些條件下，電池將以4A的恒定電流放電600秒。

（2）將冷空氣溫度設(shè)定為25℃，并將冷卻入口的流體流速設(shè)定為2m/s和4m/s。在這些條件下，電池以5A的恒定電流放電600秒鐘。

3.3.2 空調(diào)風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流冷卻方式

空調(diào)風(fēng)冷卻來自于電動(dòng)汽車內(nèi)部的冷卻設(shè)備。設(shè)定空調(diào)的冷卻空氣溫度為20℃，電池的工作環(huán)境溫度仍然為25℃，流體流速分別為2m/s和4m/s。當(dāng)空調(diào)風(fēng)速為2m/s時(shí)，電池內(nèi)的極端溫度為47.28℃和35.16℃;風(fēng)速以4m/s通過時(shí)，電池的最高和最低溫度分別為44.53℃和32.7℃，這表明溫度較低的空氣風(fēng)的冷卻效果要好于環(huán)境風(fēng)，較高的風(fēng)速可以提高冷卻效果。比較空調(diào)風(fēng)進(jìn)行電池制冷和環(huán)境風(fēng)制冷后電池組的溫度變化如表2所示。

4 結(jié)論

通過Fluent軟件對(duì)電池組在室溫冷卻、環(huán)境強(qiáng)制性熱冷卻以及空調(diào)強(qiáng)制性冷卻情況下的溫度變化模擬研究，得出以下結(jié)論：

（1）無冷卻條件下電池組工作時(shí)隨著放電電流增加，電池組溫升越高;

（2）放電電流為5A，環(huán)境風(fēng)冷卻后電池組最高溫度為48.82℃和44.53℃，電池組冷卻效果明顯提升，環(huán)境風(fēng)風(fēng)力越強(qiáng)冷卻效果越好;

（3）放電電流為5A，空調(diào)風(fēng)冷卻后電池組最高溫度為47.28℃和41.56℃，風(fēng)速?gòu)?qiáng)度冷卻效果優(yōu)于環(huán)境風(fēng)溫度，空調(diào)風(fēng)冷卻效果好于相同工況下的環(huán)境風(fēng)，但溫差更大，冷卻效果不均，溫度梯度明顯，需著眼于電池組整體溫控效果進(jìn)行改進(jìn)。

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