基于COMSOL鋰離子動力電池包的邊界結構優(yōu)化

潘國強 郭文亮 韓念琛 謝戈輝 賈濤

關鍵詞： 鋰電池; 電池包; 散熱; 溫度場; 流場; COMSOL

中圖分類號： TN13?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0112?05

Boundary structure optimization of lithium?ion power battery pack based on COMSOL

PAN Guoqiang1， GUO Wenliang1， HAN Nianchen2， XIE Gehui1， JIA Tao3

（1. School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

3. School of Electrical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： For the new equipment taking lithium?ion batteries as power sources， it is necessary to pay attention to the heat dissipation problem during the design process of the battery pack. Therefore， an appropriate air flow field model is analyzed and selected by conducting reasonable simplification for the structure model of the common battery pack. The computer simulation model is established by using the COMSOL. The different boundary structures of battery packs and heat dissipation performance of batteries in different flow field environments are simulated. The post?processing and data analysis of the simulation results are conducted. It is found that， when the air velocities of the inlet are equal， the battery pack with the wavy concave convex boundary has the advantages of small temperature difference between monomer batteries， large average air flow velocity around batteries， and good overall heat dissipation effect during the forced convection heat dissipation process in comparison with the battery pack with the flat straight boundary.

Keywords： lithium?ion battery; battery pack; heat dissipation; temperature field; flow field; COMSOL

0 ?引 ?言

隨著近年來環(huán)境危機的產生，新能源和低排放變成了人們關注的焦點，以蓄電池為動力來源的工業(yè)產品受到了各個行業(yè)的重視。其中鋰離子電池以其電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、安全性好、充電快速、環(huán)境污染小、安全性高等優(yōu)點成為包括電動汽車在內的各種工業(yè)產品的儲能元件，受到企業(yè)和科研單位的重視[1?3]。

一般的電子產品所用的鋰離子電池，所受的負載有限，產生熱量少，但是作為大型的工業(yè)機器人甚至民用和商用的電動汽車的動力來源，鋰離子電池在工作中所承受的負載和熱負荷大大增加。如果電池所產生的熱量聚集使得電池溫度分布不均，甚至使得工作環(huán)境溫度超過電池的安全溫度，不僅會對電池的性能和壽命產生影響，而且會引起爆炸等事故[4?5]。因此電池包良好、合理的通風結構設計在保證電池的安全性和可靠性方面至關重要[6]。本文針對前人研究中發(fā)現(xiàn)的電池包的邊界對電池散熱性能的影響，對鋰離子電池包的邊界結構展開優(yōu)化設計并分析其散熱效果[7]。

1 ?幾何建模與簡化

1.1 ?模型簡化

鋰離子電池的生熱原理和結構較為復雜，分析散熱之前有必要對電池單體的模型做合理的簡化。本文旨在研究電池包結構對鋰離子電池強制對流散熱性能影響，故將電池直接簡化為與其外形一致的體熱源，電池的各個部分材料的物理化學性質視為一致，單體電池通過表面與強制對流的空氣進行熱交換，達到散熱的目的。單體電池的強制對流散熱模型簡化示意圖如圖1所示。最后用體熱源的平均溫度表示電池的溫度。

圖1中：電池工作產生的熱量[Qb]在電池內部通過熱傳導至電池表面，然后與電池包內的冷空氣進行熱量交換;[Qa]是通過氣流的流動帶走的電池工作時產生的熱量，當散熱過程到達一種穩(wěn)態(tài)時，電池內的總熱量[Q=Qb-Qa]，即達到鋰電池強制對流散熱的目的;[Tb]為電池體溫度;[ta]和[Ta]為流動空氣的溫度。

1.2 ?幾何模型

根據(jù)前人研究結論所取得的電池包中單體電池的最佳排列方式，對電池包的設計方案進行計算機建模如圖2所示。

每個單體電池的尺寸參照常見的18650鋰電池，直徑為18 mm，高度65 mm，16個單體電池等間距3 mm交叉排列，上下邊界距電池距離為0，兩側壁面與電池間距為3 mm，入口距第一排電池30 mm，出口[7]距第二排電池120 mm。

2 ?流場模型和邊界條件

2.1 ?流場模型

單體電池交叉排時流體受到電池的阻礙，流動阻礙相對較大，氣流的紊亂程度增大，可增加電池與冷空氣的換熱速率。對于采用強制對流換熱的電池包來說，第一排電池率先迎風，空氣流體在電池外部橫向掠過并在后面產生渦流。之后的氣流被之前所產生的渦流干擾，流場中流體的流動狀態(tài)變得比較復雜。由于本研究的空氣流速設置為5 m/s，溫度場的溫度在300 K左右，第一排電池周圍的流體的雷諾數(shù)Re>2 300，為湍流工況，之后隨著Re的增大，各單體電池之間氣流速度以及湍流強度進一步增強，氣流的紊亂程度也隨之增強，電池之間的空氣流動的工況也越來越復雜;在Re≤105時，可以認為流場為混合工況，即夾雜著湍流的層流[8]。由于流體的不同工況會導致散熱效率的差異，為了提高研究的可靠性，分別在層流模型、湍流[k-ε]模型、湍流低雷諾數(shù)[k-ε]模型三種流場中分別進行電池包的強制對流散熱仿真，得到在三種流場環(huán)境中相同電池包內單體電池的溫度分布情況如圖3所示。

湍流低雷諾數(shù)[k-ε]模型散熱性能介于標準湍流模型和層流模型之間，進一步說明了此流場是一種夾雜層流和湍流的混合工況。由于低雷諾數(shù)的湍流模型對于解決混合工況的低速流動具有較好的適應性[3]。故本文對于散熱模型的其他物理量的分析和仿真都在低雷諾數(shù)[k-ε]湍流流場下進行仿真分析，關于[k-ε]的運輸方程為[7]：

[?ρk?t+?ρkui?xi=??xjμ+μiσk?k?xi+Gk- ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ρε-2μ?k12?n2] （1）

[?ρk?t+?ρεui?xi=??xjμ+μtσε?ε?xj+C1εεkGkf1-C2ερε2kf2+2μμtρ?2u?n22] （2）

式中：[ρ]為流體密度;[u]為壁面方向流速;[k]為湍動能;[n]為壁面法向坐標;[ε]為耗散率;[t]為時間;[μt]為湍動黏度;[Gk]為速度梯度引起的湍動能產生項。

2.2 ?控制方程

體熱源的固體控制方程[7]為：

[?θ?t=λρc?2θ?x2+?2θ?y2+?2θ?z2+Qρc] （3）

式中：[θ]為溫度;[λ]為熱導率;[c]為比熱容;[Q]為固體內部生成熱。流體控制方程為[9]連續(xù)性方程：

[div u=?u?x+?v?y+?w?z=0] （4）

動量方程為：

[?u?t+?u2?x+?uv?y+?uw?z=μρ??2u-1ρ·?P?x] （5）

[?v?t+?uv?x+?v2?y+?vw?z=μρ??2v-1ρ·?P?y] （6）

[?w?t+?wu?x+?vw?y+?w2?z=μρ??2w-1ρ·?P?z] （7）

能量方程為：

[?T?t+div（uT）=divλρcp?T+STρ] （8）

式中：[u，v，w]為流體流速在三個坐標軸的方向分量;[u]為流體的速度矢量;[P]為流體的壓強;[div]為對[]求散度;[ρ]為流體密度;[μ]為流體的動力黏度;[ST]為由于黏性作用機械能轉化為熱能的部分。

2.3 ?邊界條件

本文中單體電池以體熱源的形式加載在仿真模型之上。對于鋰離子電池來說，其主要由正極材料、負極材料、電解質、隔膜等組成[10]。其中正極材料的質量占比最高，所以在仿真模型中電池的材料屬性設置為動力電池廣泛應用的正極材料LiFePO4（即COMSOL內置的LFP Electrode），其導熱系數(shù)為1 W/（m·K），平均密度為3 600 kg/m3，恒壓熱容881 J/（kg·K）。假設該電池發(fā)熱穩(wěn)定，在其工作的特定工況下單體發(fā)熱功率為1.5 W，對于作為體熱源的全部電池來說單位體積的電池的發(fā)熱功率為90 733 W/m3。流體邊界屬性如表1所示。

3 ?仿真分析

通過COMSOL求解鋰離子電池包的散熱模型，得到電池包模塊的溫度場、空氣流場分布（包括速度，壓力）。主要從不同的電池包邊界結構角度，通過分析邊界結構對溫度場和流場分布的影響，比較電池模型上的平均溫度，對比不同邊界結構的電池包的散熱性能。為了方便研究，對電池單體進行編號，編號示意圖如圖4所示。

3.1 ?電池包邊界結構對強制對流流場的影響

平直邊界空氣流場速度大小云圖如圖5所示。當邊界截面為平直結構時，距離邊界最近的四塊單體電池（4，5，12，13號），由于邊界結構相對平直，電池外形對流體的擾動效應未充分體現(xiàn)，空氣沿著平直邊界高速流過，使得大量的氣流從電池包的邊界處通過，進而導致其他的單體電池周圍的空氣流速相對較低且各個體差異較大[11]。尤其使得1，8，9，16號電池表面空氣流動性相對較小，周圍空氣帶走的熱量較少[12]。鼓包邊界流場速度大小云圖如圖6所示。當電池包的邊界為鼓包結構時，鼓包邊界對空氣有一定的導流作用，空氣流過時與各個單體電池均充分接觸，通過各單體電池的空氣的流速相對較快，電池個體之間差異相對較小。

由圖7可知，平直邊界的電池包內空氣脫離電池之后紊亂程度較高，不能將熱量帶出電池包之外，加劇了熱量的聚集。而空氣在鼓包邊界整流導引的作用下使得空氣脫離電池之后，氣流相對平順，可將電池包多余熱量迅速地帶到外界，加強了鼓包結構邊界電池包的散熱性能。鼓包邊界模型空氣流線圖如圖8所示。

為了更加清楚地反映電池包邊界結構對單體電池周圍空氣流速度的影響，取距離電池表面1 mm處空氣的平均流速，繪制線圖，如圖9所示。

3.2 ?電池包邊界結構對溫度場的影響

由于采用的是強制對流的散熱方式，各單體電池的散熱性能和通過其表面的空氣流動情況有著十分密切的聯(lián)系，兩種邊界結構下的電池溫度場云圖如圖10、圖11所示。

當電池采用交叉排列，電池包的邊界處每一列均存在半個空位，平直邊界結構本身會使得大量空氣從電池包的兩側高速流過，加上每列電池因為交叉排列產生空缺，使得平直邊界的電池包內的各單體電池之間的散熱效率存在較大的差異，而將邊界的結構改為可以填充每列空缺的鼓包形狀時，各電池的體平均溫度線圖如圖12所示。

由于鼓包形狀的邊界很好地解決了交叉排列產生的空缺問題，以及鼓包形狀的邊界與電池外形相契合，有利于通過氣流產生比較強烈的擾動氣流，使得對流換熱的效率更高。另外各個電池與空氣的接觸差異性基本消除，由溫度曲線圖可以看出，電池包在平直邊界的情況下，各單體電池之間的散熱效果存在較大的差異;在鼓包邊界條件下，各單體電池之間的溫度差異基本消除了，強制對流的散熱效果要優(yōu)于平直邊界的電池包。

4 ?結 ?論

本文通過分析鋰離子電池包強制對流過程中的流場和溫度場，對比傳統(tǒng)的平直結構的邊界和鼓包結構的邊界對散熱性能的影響。通過分析可知帶有鼓包邊界結構的電池包在強制對流散熱過程中相比平直邊界的電池包有以下優(yōu)點：

1） 氣流在鼓包的整流導引作用下，在通過電池區(qū)域擾動劇烈且均勻，換熱效率高，氣流脫離電池之后流線較為平順，可以快速將熱量帶到電池包外;

2） 通過單體電池周圍的流體平均流速差異相對較小，各單體電池的溫差較小;

3） 各單體電池散熱后的溫度整體低于平直邊界結構的電池包。

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