姚禹軒

基于Fluent的電動(dòng)汽車鋰電池散熱特性仿真

姚禹軒

（長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

為了分析電池散熱問(wèn)題，文章采用有限元仿真的方法，對(duì)串行和并行兩種散熱方式進(jìn)行對(duì)比方針研究。首先分析了鋰電池產(chǎn)熱原因，對(duì)其產(chǎn)熱特性進(jìn)行了研究。然后針對(duì)某款鋰離子電池，使用有限元仿真軟件Fluent，對(duì)串行和并行的兩種風(fēng)冷散熱模式進(jìn)行模擬仿真研究。結(jié)果表明：串行通風(fēng)散熱時(shí)電池散熱比較均勻，靠近進(jìn)出風(fēng)口的電池散熱效果較好；并行通風(fēng)散熱時(shí)散熱效果逐漸遞增，越靠近出風(fēng)口的電池散熱效果越好。

鋰離子電池；電池散熱；電動(dòng)汽車

1 鋰電池結(jié)構(gòu)與原理

鋰離子電池是二次充電電池，它在電池充放電過(guò)程中依靠鋰離子在正負(fù)極之間的來(lái)回移動(dòng)進(jìn)行充電或放電的工作[1]。鋰離子電池在結(jié)構(gòu)上主要有五大部分：正極材料、負(fù)極材料、電解液（電解質(zhì)）、隔膜、外殼與電極引線[2]。

鋰離子電池主要由正極集流體鋁箔、正極材料、電解液、隔膜、負(fù)極材料和負(fù)極集流體銅箔構(gòu)成。在最初幾次循環(huán)時(shí)電池的負(fù)極和電解液之間會(huì)形成膜[3]。電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

鋰離子電池是在充放電過(guò)程中只有鋰離子嵌入嵌出電池正負(fù)極材料的電池。通過(guò)鋰離子的不斷嵌入和嵌出動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的充放電過(guò)程。在此過(guò)程中，同時(shí)外電路的與鋰離子等量的電子也進(jìn)行同樣的遷移運(yùn)動(dòng)[2]。

圖1 電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

式中M為Co、Ni、Mn、Fe等；正極材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFeO2等；負(fù)極材料有石墨等；電解質(zhì)是鋰鹽溶于有機(jī)溶劑中形成的溶液[4]。

2 磷酸鐵鋰電池生熱機(jī)理

磷酸鐵鋰電池在充放電過(guò)程中，鋰離子Li+的嵌入、脫嵌和電子e-在外電路的遷移過(guò)程在能量方面表現(xiàn)為吸熱和放熱反應(yīng)。電池充電和放電工況下電化學(xué)反應(yīng)為可逆反應(yīng)，放電工況下為放熱反應(yīng)；鋰離子Li+擴(kuò)散速度小于電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速度時(shí)，形成的容差極化內(nèi)阻生成極化反應(yīng)熱；電池內(nèi)部電極材料、電解液、隔膜等接觸內(nèi)阻構(gòu)成的電池內(nèi)部歐姆內(nèi)阻，產(chǎn)生的焦耳熱是磷酸鐵鋰電池內(nèi)部主要產(chǎn)生熱量；同時(shí)由于電池內(nèi)部電解液分解或電池自放電作用，電池內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生一部分副反應(yīng)熱[5]。

3 鋰電池冷卻方式

3.1 氣體散熱冷卻

氣體散熱包括強(qiáng)制對(duì)流散熱和自然對(duì)流散熱，強(qiáng)制對(duì)流散熱是通過(guò)安裝冷卻風(fēng)扇，或者利用車輛自帶的散熱器為電池組進(jìn)行散熱；而自然對(duì)流散熱則是直接將外界的自然風(fēng)通入電池組進(jìn)行散熱。散熱方式有串行通風(fēng)和并行通風(fēng)兩種[2]。如下圖2所示：

圖2 氣體冷卻式對(duì)比圖

3.2 液體冷卻

液體冷卻是利用導(dǎo)熱率相對(duì)較高的液體介質(zhì)間接或直接接觸電池來(lái)散熱的一種方法。傳熱液體介質(zhì)可以采用水、乙二醇、礦物油以及制冷劑等[2]。液冷分為間接冷卻與直接冷卻兩種，間接冷卻是利用換熱結(jié)構(gòu)和電池接觸，冷卻液流過(guò)換熱結(jié)構(gòu)帶走電池的熱量，而直接冷卻是將電池整個(gè)放在冷卻液中，與冷卻液直接接觸[7]。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

4.1 電池基本參數(shù)

本文選用的電池為磷酸鐵鋰電池，由神州巨電新能源科技開發(fā)有限公司所生產(chǎn)的神州遠(yuǎn)望鋰聚合物電池（JD135440150F 3.20 V/330 Ah）。這次實(shí)驗(yàn)是將5節(jié)電池串聯(lián)成組。本文采用1×5排列，間距10 mm。電池基本信息參數(shù)見(jiàn)表1[2]：

表1 單體電池基本參數(shù)

電池特性值 額定容量/Ah330 額定電壓/V3.2 截止電壓/V2.5 電池長(zhǎng)度/mm445 電池寬度/mm72 電池高度/mm172 電池重量/g49.5 電池密度/（kg/cm3）2 018 平均比熱容/（J/(kg·K)）1 282 x方向?qū)嵯禂?shù)/（W/(m·K)）0.913 y、z方向?qū)嵯禂?shù)/（W/(m·K)）2.732

環(huán)境溫度為300 K，速度入口（初始風(fēng)速為8 m/s），壓力出口（背壓為0），且選用層流模型。邊界條件為空氣與電池箱外壁屬于對(duì)流換熱，其換熱系數(shù)為5 W/(m2·K)。

4.2 放熱速率計(jì)算方法

放熱速率的計(jì)算采用美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校D.Bernardi的電池生熱速率模型。生熱速率的數(shù)學(xué)模型為[2]：

實(shí)施風(fēng)選項(xiàng)目后，2017年，該煤炭企業(yè)原煤產(chǎn)量為67.74萬(wàn)噸，其中商品煤銷售總量58.84萬(wàn)噸，塊煤銷量13.52萬(wàn)噸，塊煤率22.98%，商品煤綜合售價(jià)459元/噸，塊煤綜合售價(jià)643元/噸，商品煤銷售收入達(dá)2.7億。

4.3 幾何模型建立與網(wǎng)格劃分

4.3.1串行通風(fēng)

本實(shí)驗(yàn)利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格繪制，對(duì)電池與周圍空氣繪制四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10 mm。

圖3 串行散熱結(jié)構(gòu)圖

圖4 串行散熱網(wǎng)格圖

4.3.2并行通風(fēng)

本實(shí)驗(yàn)利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格繪制，對(duì)電池與周圍空氣繪制四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸為10 mm。

圖5 并行散熱結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 并行散熱網(wǎng)格示意圖

幾何模型建立完成后將模型導(dǎo)入到商用CFD軟件Fluent進(jìn)行邊界條件設(shè)置與計(jì)算。

4.4 邊界條件設(shè)置與計(jì)算

在接下來(lái)的有限元仿真中，采用顯式Coupled算法和二階迎風(fēng)的方法，Coupled算法耦合了流動(dòng)和能量方程，可以更快地收斂。

4.4.1串行通風(fēng)

電池包采用串行通風(fēng)，左側(cè)為半徑為80 mm的圓形進(jìn)風(fēng)口，設(shè)置為velocity-inlet，進(jìn)口風(fēng)速為8 m/s，右側(cè)半徑80 mm的圓形出風(fēng)口，設(shè)置為pressure- outlet，靜壓為0。各電池單體之間的距離10 mm，電池殼體設(shè)置為剛體，材料采用高碳鋼，與電池留有10 mm的縫隙。電池包的內(nèi)部其余部分材料設(shè)置為空氣，殘差設(shè)置為默認(rèn)并進(jìn)行計(jì)算，迭代步驟為100步。串行散熱100步的能量計(jì)算圖如圖7所示：

圖7 串行散熱100步能量計(jì)算圖

圖7中可以發(fā)現(xiàn)函數(shù)基本收斂，可以認(rèn)為能量趨于穩(wěn)定。

4.4.2并行通風(fēng)

電池包采用并行通風(fēng)，左側(cè)為半徑為三個(gè)15 mm的圓形進(jìn)風(fēng)口，圓心之間間距50 mm，設(shè)置為velocity- inlet，進(jìn)口風(fēng)速為8 m/s，右側(cè)同樣為三個(gè)15 mm的圓形出風(fēng)口，風(fēng)速為8 m/s，設(shè)置為pressure-outlet，靜壓為0。電池間的間距10 mm，電池殼體采用剛體，材料設(shè)置為高碳鋼，與電池留有10 mm的縫隙，內(nèi)部其余部分材料設(shè)置為空氣。迭代步驟為100步，殘差設(shè)置為默認(rèn)并進(jìn)行計(jì)算，迭代步驟為100步。串行散熱100步的能量計(jì)算圖如圖8所示：

圖8 并行散熱100步能量計(jì)算圖

圖8中可以發(fā)現(xiàn)函數(shù)基本收斂，處于穩(wěn)定略有波動(dòng)的狀態(tài)。

4.5 結(jié)果分析

4.5.1串行通風(fēng)結(jié)果分析

圖9與圖10為串行散熱條件下電池包內(nèi)空氣流動(dòng)速度的矢量圖與電池溫度云圖。

圖9 串行散熱空氣流動(dòng)速度矢量圖

串行通風(fēng)條件下，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，流速較為均勻，主要沿著電池側(cè)面流出，電池間的空氣流動(dòng)速度較慢。

從電池溫度云圖中可以發(fā)現(xiàn)電池散熱效果較明顯，最高溫度324 K。溫差約為10 ℃?？拷姵刂行牡臏囟容^高，靠近進(jìn)出風(fēng)口的電池溫度較低。由于空氣在電池間流速較慢，與電池耦合換熱的過(guò)程中所能帶走的熱量較少，所以處于電池包中心處的電池溫度較高。但總體來(lái)看各電池間空氣流速較為平均，電池整體溫度分布較為均勻。

圖10 計(jì)算100步串行散熱仿真溫度分布圖

4.5.2并行通風(fēng)結(jié)果分析

圖11與圖12為并行散熱條件下電池包內(nèi)空氣流動(dòng)速度的矢量圖與電池溫度云圖。

圖11 并行散熱空氣流動(dòng)矢量圖

并行通風(fēng)條件下，空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入后，從電池表面流過(guò)，空氣與電池表面接觸面積更大，但每個(gè)通道流速不均勻，越是靠近出風(fēng)口的空氣流速越快。

圖12 計(jì)算100步并行散熱仿真溫度分布圖

電池溫度云圖如圖12所示，從云圖中可以看出，電池最高溫度335 K。溫差約為14 ℃?？拷姵剡M(jìn)風(fēng)口的溫度較高，靠近出風(fēng)口的電池溫度較低。由于空氣與電池接觸面積更大，與電池耦合換熱的過(guò)程中帶走熱量更多。但由于靠近進(jìn)風(fēng)口空氣流速過(guò)慢，導(dǎo)致靠近進(jìn)風(fēng)口處的電池溫度過(guò)高，電池間溫差較大。電池包整體溫度一致性較差。

5 結(jié)論

串行散熱時(shí)電池與流動(dòng)的空氣接觸面較小，所以散熱效率較低，但總體各電池之間溫度差距較小，最熱點(diǎn)處于中心電池的中心處。并行散熱溫度受涵道長(zhǎng)度與電池間間隙影響，電池靠近出風(fēng)口的散熱較好，但入口處由于空氣在該位置流動(dòng)速度較慢，故容易積累熱量，最熱電池為靠近進(jìn)風(fēng)口中心處。

總體來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單的串并行風(fēng)冷并不能很好地滿足電池散熱需求，故需要通過(guò)復(fù)合散熱方法搭建更復(fù)雜的風(fēng)冷平臺(tái)，或進(jìn)行水冷來(lái)提高散熱性能，以保持電池溫度。

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Simulation of Heat Dissipation Characteristics of Lithium Battery of Electric Vehicle Based on Fluent

YAO Yuxuan

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to analyze the problem of battery heat dissipation, the serial and parallel heat dissipation methods are compared by using the finite element simulation method. Firstly, theheat genera- tion reasons of lithium battery are analyzed, and its heat generation characteristics are researched. Then, for a certain lithium-ion battery, the finite element simulation software Fluent is used to simulate the serial and parallel air-cooled heat dissipation modes. The results show that the heat dissipation of the battery is relatively uniform during serial ventilation and the battery near the air inlet and outlet has good heat dissipation effect. In parallel ventilation and heat dissipation, the heat dissipation effect increases gradu- ally, and it is better when the battery is close to the outlet.

Lithium-ion battery; Battery cooling; Electric vehicle

A

1671-7988(2022)01-01-05

U469.72

A

1671-7988(2022)01-01-05

CLC NO.:U469.72

姚禹軒，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.001