風(fēng)冷翅片用于鋰離子電池組散熱性能的研究

劉業(yè)鳳，孫偉，荊巖巖

（1.200093 上海市 上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院；2.200093 上海市 上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

當(dāng)前，環(huán)境問(wèn)題與能源問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的重視。而新能源汽車(chē)為緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境提供了一個(gè)有效的手段[1]。對(duì)于新能源汽車(chē)而言，儲(chǔ)能電池決定新能源車(chē)的發(fā)展進(jìn)程，因此對(duì)于新能源電池的性能以及安全的要求越來(lái)越嚴(yán)格。新能源電池需要具備安全、高能量密度、高循環(huán)壽命等特點(diǎn)[2]，鋰離子電池由于電池電壓高、比能量高、工作范圍廣、循環(huán)性好、自放電小、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。鋰電池的工作溫度直接影響新能源汽車(chē)的續(xù)航里程以及行車(chē)安全。鋰電池在高溫工作狀態(tài)時(shí)，電池性能會(huì)急速衰減，甚至還會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題；而在低溫工作時(shí)，內(nèi)阻增大，可用的能量和功率下降。而且低溫充電時(shí)，鋰的析出還可能引發(fā)安全問(wèn)題[5-6]。良好的電池?zé)峁芾砟苁闺姵毓ぷ髟谝粋€(gè)最優(yōu)的溫度區(qū)間(25～45 ℃)[7]。

目前國(guó)內(nèi)外許多新能源汽車(chē)廣泛應(yīng)用風(fēng)冷的散熱方式冷卻電池模塊，比如日本豐田早前推出的混合動(dòng)力汽車(chē)Prius、本田公司的Insight、起亞Soul EV、日產(chǎn)聆風(fēng)、通用以及我國(guó)很多城市的大巴車(chē)等都是采用的該種散熱方式。對(duì)于空氣冷卻而言，冷卻介質(zhì)廉價(jià)易得,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且對(duì)電池外部沒(méi)有腐蝕，對(duì)電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)沒(méi)有影響。用空氣對(duì)電池進(jìn)行散熱和加熱是最簡(jiǎn)易且較為有效的一種熱管理手段[8],也是目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究中最多的一種冷卻方式。陳果[9]等分析了風(fēng)冷時(shí)冷卻流道對(duì)電池模塊散熱性能的影響，主要分析了并聯(lián)BTMS 和串聯(lián)BTMS 兩種流道布置對(duì)電池模塊溫度的影響，得出并聯(lián)通道的散熱性能優(yōu)于串聯(lián)通道散熱。Jiaqiang E[10]等研究了帶有擋板的6×10 的18650 鋰離子電池模塊在不同風(fēng)冷冷卻方案下的散熱性能。他們的研究發(fā)現(xiàn)，帶有擋板且進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口在側(cè)面不同側(cè)的電池模塊的散熱性能最好。眭艷輝、王文[11]等發(fā)現(xiàn)，不同的風(fēng)冷排列方式,對(duì)于電池箱體內(nèi)電池的溫度和最大溫度差的影響。Yang N[12]研究了串聯(lián)的三元鋰離子電池模塊26650 叉排和順排排列時(shí)的散熱性能。他們的研究發(fā)現(xiàn)：無(wú)論是順排還是叉排，增加電池模塊的橫向間距都會(huì)導(dǎo)致電池模塊的最高溫度升高，但是電池單體間溫度的均勻性變好了。徐海峰[13]為研究動(dòng)力電池液冷板的散熱效果，建立了電池組的液冷模型并驗(yàn)證了模型的有效性。

本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際工況，探討電池放電倍率對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響。通過(guò)查閱大量文獻(xiàn)確定了電池模塊的散熱目標(biāo)是最高溫度不超過(guò)45 ℃，最大溫差不超過(guò)5 ℃。根據(jù)這個(gè)散熱目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)冷翅片電池散熱系統(tǒng)，創(chuàng)造性地將導(dǎo)熱金屬鋁翅片應(yīng)用于鋰離子電池散熱，探究電池放電倍率和環(huán)境溫度對(duì)電池溫度場(chǎng)的影響，并對(duì)風(fēng)冷翅片散熱系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與仿真，對(duì)比分析仿真模型的可靠性。

1 電池模塊的散熱設(shè)計(jì)

考慮到汽車(chē)動(dòng)力電池組較大，研究時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，成本較大，因此選用鋰離子電池模塊進(jìn)行研究。鋰離子電池模塊的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)基于對(duì)單體電池散熱的研究。鋰離子單體電池在不同環(huán)境溫度、放電倍率下對(duì)應(yīng)的生熱量與生熱速率不同，因此鋰離子電池生熱機(jī)理及風(fēng)冷翅片散熱特性是風(fēng)冷翅片設(shè)計(jì)和建立數(shù)值模型的基礎(chǔ)，同時(shí)也為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

1.1 鋰電池的選擇及其散熱機(jī)理

本文的實(shí)驗(yàn)對(duì)象是三元鋰電池21700，它相對(duì)于其它鋰離子電池，具有電池能量密度更大、低溫放電性能更好、充電效率更高等一系列優(yōu)點(diǎn)。電池標(biāo)稱(chēng)容量為4 000 mA·h，標(biāo)準(zhǔn)充電時(shí)，先以0.5C（2 000 mA）倍率對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，截止電壓為4.2 V，再以4.2 V 對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電，截止電流為80 mA±5 mA。標(biāo)準(zhǔn)放電時(shí)，以0.5C（2 000 mA）倍率對(duì)電池進(jìn)行恒流放電，截止電壓為2.75 V。工作溫度介于-20～60 ℃。

在常溫環(huán)境15～35 ℃的不同放電倍率的工況下進(jìn)行散熱研究。當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，放電倍率1C 的工況下，實(shí)驗(yàn)得出SOC=0.9 時(shí)平均內(nèi)阻為33 mΩ，體積產(chǎn)熱率20 136 W·m3，電池等效比熱容為779.6 J/(kg·K)。

1.2 風(fēng)冷翅片的選擇

文獻(xiàn)[14-15]通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究了翅片式鋰電池散熱系統(tǒng)在環(huán)境溫度為25℃下的散熱性能，研究了電池間不留間隙、電池間等間隙、電池加裝純銅翅片、電池間加裝純鋁翅片4 個(gè)不同結(jié)構(gòu)。得出結(jié)論：在各個(gè)放電倍率下，電池模塊的最高溫度和溫差隨著翅片厚度的增加而降低；翅片的高度并不是越高散熱效果越好，最優(yōu)的翅片高度是60 mm。所以在保證達(dá)到熱管理要求的前提下，質(zhì)量因素優(yōu)于體積因素，因此應(yīng)優(yōu)先選擇鋁翅片作為電池模塊的散熱材料。

文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，翅片厚度為0.5 mm時(shí)，電池模塊的最大溫度和溫差明顯高于其他情況，但翅片厚度在1，2，3 mm 之間變化時(shí)，電池模塊的溫度相差不大?？紤]到后續(xù)的實(shí)驗(yàn)，翅片的厚度不宜選得太小，因此本文選取的鋁翅片的厚度為2 mm。

1.3 基于風(fēng)冷翅片的鋰電池組模塊實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文的整個(gè)電池模塊由12 個(gè)電池組成，電池模塊采用的是四串三并的連接方式。為了降低翅片和電池間的接觸熱阻，在翅片鋰離子電池模塊之間填充了導(dǎo)熱硅脂。如圖1 所示，將12 節(jié)電池和5片翅片組合在一起，形成風(fēng)冷翅片電池模塊。其中，電池箱體PVC 尺寸為113 mm×89 mm×72 mm；翅片側(cè)面與電池箱體PVC 容器的距離是5 mm；電池長(zhǎng)70.9±0.2 mm；翅片等10.15 mm 間距布置。測(cè)點(diǎn)的布置參考仿真模擬結(jié)果選擇了在溫度最高的電池和溫度最低的電池以及中間2 個(gè)電池上面布置測(cè)點(diǎn)。熱電偶測(cè)溫點(diǎn)布置在電池中間部位。由于單體電池表面溫差不大且考慮到布置的方便，熱電偶測(cè)點(diǎn)布置在圖1 所示的測(cè)點(diǎn)1～4 所示位置。在圖1 進(jìn)風(fēng)口處放置一個(gè)定頻風(fēng)扇，其提供風(fēng)速約為3 m/s。

圖1 基于風(fēng)冷翅片的電池模塊設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of battery module based on air cooled fin

2 散熱實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

將電池放于環(huán)境室內(nèi)，控制環(huán)境室的溫度為15，25，35 ℃，放電電流分別設(shè)置為1C，1.5C，2C，使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行溫度檢測(cè)，通過(guò)電腦顯示溫度數(shù)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，測(cè)點(diǎn)1 的溫度最高，測(cè)點(diǎn)4 的溫度最低，測(cè)點(diǎn)2 和測(cè)點(diǎn)3的溫度比較接近。這是因?yàn)闇y(cè)點(diǎn)1 距離進(jìn)風(fēng)口的位置最近，測(cè)點(diǎn)1 處的風(fēng)速接近進(jìn)口風(fēng)速，隨著冷空氣與電池模塊的換熱，越往后排空氣的溫度越高，對(duì)流換熱系數(shù)越小，而測(cè)點(diǎn)4 距離進(jìn)風(fēng)口的位置最遠(yuǎn)，故測(cè)點(diǎn)4 的溫度最高。為了充分了解電池的散熱情況，選用電池最高溫度測(cè)點(diǎn)4，以及最大溫差來(lái)反映電池的實(shí)際散熱情況。

圖2、圖 3 為環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，以1.0C，1.5C，2.0C 放電倍率放電，測(cè)量點(diǎn)4 的溫度以及測(cè)量點(diǎn)4 與測(cè)量點(diǎn)1 的溫差。

圖2 25 ℃不同放電倍率下風(fēng)冷翅片散熱的電池最高溫度Fig.2 Maximum temperature of air-cooled fin cells at 25 ℃ with different discharge rates

圖3 25 ℃不同放電倍率下風(fēng)冷翅片散熱的電池最大溫差Fig.3 Maximum temperature difference of battery cooled by air cooled fins at 25 ℃ and different discharge rates

可以看出：（1）電池模塊放電過(guò)程中，最高溫度在放電初期和放電末期溫度變化更為劇烈，放電中期比較平緩。這是因?yàn)?，放電初期電池表面和周?chē)h(huán)境的溫差小，熱量不易散失，溫度變化明顯；放電后期電池內(nèi)阻迅速增大，根據(jù)Q=I2R 可知，電池產(chǎn)熱量會(huì)增大，電池模塊溫度上升得也比較明顯。（2）放電初期和放電末期，最大溫差變化較為劇烈，總體上電池模塊表面的最大溫差逐漸增大，滿(mǎn)足最大溫差小于5 ℃的電池組工作要求。（3）放電倍率越高，放電電流越大，放電時(shí)間越短，電池生熱速率越快，電池產(chǎn)生的熱量越多，電池模塊的最高溫度以及最大溫差就越大，最高溫度分別為32.528，35.869，41.232 ℃。

以放電倍率2.0C 為例，對(duì)不同環(huán)境溫度下電池模塊表面的最高溫度與最大溫差進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5?？梢钥闯觯?.0C 放電倍率下，環(huán)境溫度越高電池模塊表面的最高溫度曲線(xiàn)越平緩，說(shuō)明環(huán)境溫度越高電池模塊表面溫升越?。怀朔烹姵跗?，電池模塊最大溫差有些波動(dòng)外，總體上電池模塊表面的最高溫度與最大溫差逐漸增大。這是因?yàn)椋海?）放電初期放電不穩(wěn)定，最大溫差存在波動(dòng)；（2）環(huán)境溫度越高，電池模塊與周?chē)諝獾臏夭钤叫?，通過(guò)對(duì)流換出的熱量越?。唬?）環(huán)境溫度越高，電池模塊的內(nèi)阻越低，生熱速率越小，因此溫升越小。

圖4 2C 放電倍率不同環(huán)境溫度下風(fēng)冷翅片散熱的電池最高溫度Fig.4 Maximum temperature of air-cooled fin cell with discharge rate of 2C and different ambient temperature

圖5 2C 放電倍率不同環(huán)境溫度下風(fēng)冷翅片散熱的電池最大溫差Fig.5 Maximum temperature difference of air-cooled fin cell with 2C discharge rate and different ambient temperature

綜上可知，放電速率和環(huán)境溫度對(duì)于風(fēng)冷電池模塊的表面最大溫度和溫差都有明顯的影響。保持其他因素不變的情況下，放電速率越高，最高溫度和最大溫差越大，最高溫度和最大溫差的增長(zhǎng)速率也越大；保持其他因素不變的情況下，環(huán)境溫度越高，最高溫度越大，最大溫差越小，最高溫度和最大溫差的增長(zhǎng)速率趨勢(shì)相對(duì)一致。

3 數(shù)值仿真模型的建立

由于鋰離子電池的熱特性非常復(fù)雜，需要對(duì)電池的發(fā)熱模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[17]。Chen[18]等人對(duì)電池分層模型和不分層模型進(jìn)行了研究，證明電池?zé)岱抡鏁r(shí)無(wú)論采用分層模型還是不分層模型對(duì)于電池溫度場(chǎng)影響不大，因此本文選擇的是電池內(nèi)部不分層的模型。為了提高建立的模型的準(zhǔn)確性和精度，還提出了一些假設(shè)：（1）電池內(nèi)部材料均勻，電池密度、比熱容不隨溫度、放電倍率和SOC 變化；（2）電池內(nèi)部電解液流動(dòng)很小，電池內(nèi)部不存在對(duì)流換熱；（3）電池是透明的固體材料，電池內(nèi)部不存在輻射換熱；（4）電池在同一方向上熱導(dǎo)率相同，且電池各個(gè)方向的熱導(dǎo)率不隨電池溫度和SOC 的變化而變化；（5）電池在恒流放電時(shí)各個(gè)部分生熱速率相同，認(rèn)為電池是一個(gè)恒熱源。

基于以上假設(shè)，再結(jié)合前面的分析以及傳熱學(xué)基本原理，可以建立圓柱形鋰離子電池在圓柱坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程。圓柱型鋰離子電池在圓柱坐標(biāo)系下非穩(wěn)態(tài)傳熱的數(shù)學(xué)模型如下：

式中：ρ——流體密度，kg/m3；Cp——電池的比熱容，J/（kg·K）；T——溫度，K；t——溫度，℃；q——電池產(chǎn)熱速率，W/m3；λ——各個(gè)方向上的導(dǎo)熱率，W/(m2·K)。

在SolidWorks 中建立三維模型后，將三維模型保存成x.t 格式并導(dǎo)入到ICEM 進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在ICEM 中設(shè)置電池模塊模型的邊界與計(jì)算域，包括進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口、電池壁面、流體域、固體域、耦合面、電池箱體壁面。由于強(qiáng)制風(fēng)冷電池模塊的網(wǎng)格比較復(fù)雜，因此在這里采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了降低網(wǎng)格的數(shù)量，采用網(wǎng)格組裝的方法劃分網(wǎng)格，分別畫(huà)出電池模塊和風(fēng)冷流場(chǎng)的網(wǎng)格。電池模塊網(wǎng)格和組裝好的網(wǎng)格如圖6 所示。網(wǎng)格的數(shù)量1 139 856，經(jīng)檢查，電池模塊的網(wǎng)格質(zhì)量滿(mǎn)足CFD 仿真網(wǎng)格質(zhì)量的要求，然后將網(wǎng)格導(dǎo)入到Fluent 中進(jìn)行溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)的仿真。

圖6 風(fēng)冷鋰離子電池網(wǎng)格示意圖Fig.6 Grid diagram of air cooled lithium ion battery

采用冷風(fēng)對(duì)帶翅片的電池模塊進(jìn)行強(qiáng)制散熱，空氣的參數(shù)直接采用Flunet 材料數(shù)據(jù)庫(kù)中默認(rèn)的air。由于電池箱體與外界空氣的散熱是自然對(duì)流散熱，其散熱量很小，可以忽略，因此電池箱體設(shè)置為絕熱。選取的放電倍率分別是1C，1.5C，2C，風(fēng)速選擇的是3 m/s，環(huán)境溫度分別是15，25，35 ℃。

4 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析

從實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：電池在環(huán)境溫度35 ℃放電倍率為2.0C 的情況下，對(duì)散熱的需求最大。電池在環(huán)境溫度15 ℃放電倍率為2.0C 的情況下，散熱溫差最大。對(duì)電池模塊的風(fēng)冷翅片散熱進(jìn)行模擬，按照實(shí)驗(yàn)測(cè)溫點(diǎn)的位置，從模擬中提取數(shù)據(jù)，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比最高測(cè)溫點(diǎn)和最大溫差數(shù)據(jù)即可充分反應(yīng)電池組的散熱性能。從圖7、圖8 中可以看出：風(fēng)冷翅片電池模塊熱管理系統(tǒng)仿真的溫度場(chǎng)和模擬的溫度場(chǎng)大體相一致，只不過(guò)在放電前期和放電后期最高溫度有一定的差異；放電結(jié)束時(shí)，實(shí)驗(yàn)的最高溫度和溫差都要比模擬的最高溫度和溫差高。

圖7 電池組風(fēng)冷翅片散熱實(shí)驗(yàn)與模擬的對(duì)比（35 ℃/2C）Fig.7 Comparison of heat dissipation experiment and simulation for air cooled fin of battery pack (35 ℃/2C)

圖8 電池組風(fēng)冷翅片散熱實(shí)驗(yàn)與模擬的對(duì)比（15 ℃/2C）Fig.8 Comparison of heat dissipation experiment and simulation for air cooled fin of battery pack (15 ℃/ 2C)

仿真的最高溫度和溫差都是先上升得比較明顯，而后趨于平緩上升，而實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電池模塊在放電初期和放電后期最高溫度和溫差都上升比較劇烈，中間的放電過(guò)程比較平緩，這就導(dǎo)致了放電初期和放電后期仿真和實(shí)驗(yàn)的溫度場(chǎng)差別比放電中間過(guò)程的溫度場(chǎng)的差別大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：仿真使用的生熱速率模型是恒定熱源的，所以最高溫度和溫差最開(kāi)始幾乎是呈現(xiàn)直線(xiàn)的變化趨勢(shì)，上升到一定程度后便趨于平緩了，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電池內(nèi)阻是在不斷變化的，放電初期和放電后期內(nèi)阻變化尤為明顯，所以放電初期和放電后期的生熱速率較快，產(chǎn)熱量較多。

5 結(jié)論

本文選擇一種2 mm 厚的鋁翅片進(jìn)行鋰離子電池模塊散熱設(shè)計(jì)，結(jié)合電池組的生熱和仿真設(shè)計(jì)了散熱結(jié)構(gòu)。搭建了電池組風(fēng)冷翅片散熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)，布置了4 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)各工況下的電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，對(duì)各工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行散熱性能分析。最后，使用SolidWorks 和ANSYS 軟件建立風(fēng)冷翅片電池散熱結(jié)構(gòu)三維模型，利用仿真得到其散熱性能，得出各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

（1）風(fēng)速為3 m/s,環(huán)境溫度為15，25，35 ℃，電池組以1C，1.5C，2C 放電時(shí)的散熱結(jié)構(gòu)控溫效果良好，電池組溫度均勻性達(dá)到滿(mǎn)足，實(shí)驗(yàn)條件下均滿(mǎn)足電池組散熱設(shè)計(jì)的需求。

（2）環(huán)境溫度相同的情況下，放電倍率越高，電池生熱速率越快，電池產(chǎn)生的熱量越多，電池模塊的最高溫度以及最大溫差就越大；在相同的放電倍率下，環(huán)境溫度越高，電池模塊的溫升越小，最高溫度越高，最大溫差越小。

（3）風(fēng)冷翅片散熱的電池散熱系統(tǒng)的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大體一致，最高溫度的誤差不超過(guò)2.52 ℃，誤差最大的時(shí)候是放電開(kāi)始時(shí)和放電后期，主要是因?yàn)榉烹婇_(kāi)始時(shí)電池與周?chē)h(huán)境的溫差較小，電池產(chǎn)生的熱量不易散出，電池放電后期電池內(nèi)阻較大，產(chǎn)熱速率高。

實(shí)驗(yàn)與仿真測(cè)點(diǎn)的溫度與溫差變化趨勢(shì)相同且數(shù)值接近，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，為以后優(yōu)化風(fēng)冷翅片散熱提供借鑒意義。