軟包裝電池成組熱結構設計

王麗娜，劉 皓，楊 凱*，惠 東，張慧卿

(1.中國電力科學研究院，北京 100192;2.北京化工大學，北京100029)

軟包裝鋰離子電池作為一種新型的鋰二次電池，外包裝采用多層塑料復合薄膜，具有安全性能好、質量輕、能量密度高、外形設計靈活等特點，軟包裝鋰離子電池作為儲能單元不僅應用于電動車等高功率需求領域，也被應用于電力等高能量需求領域[1-5］。

在應用過程中，軟包裝電池會發熱，如果不能及時有效的散熱，可能導致熱失控[6-8］。電池的副反應會產生氣體，由于軟包裝電池本身沒有外部支撐，可能會出現氣脹，電池發熱會加劇自身形變，導致電池性能與循環壽命下降，影響電池組的一致性，同時也存在安全隱患[9-11］。

為保障軟包裝電池的高性能、長壽命及高安全性，需從電池散熱入手，提高電池組內的散熱效率，降低電池組溫度并減小電池組內各單體電池的溫差。本文針對軟包裝鋰離子電池特點，通過計算流體動力學(CFD)模擬仿真技術，設計散熱片，同時采用散熱片與空氣冷卻相結合的形式進行成組熱結構設計，從而達到電池有效散熱和起到固定加緊防止體積漲縮及其他形變的效果。

1 鋰離子電池成組熱結構設計

選取某生產廠家軟包裝磷酸鐵鋰電池，其特性參數如表1所示。

表1 某生產廠家軟包裝磷酸鐵鋰電池性能參數表Table 1 Properties of flexible package lithiumion battery

1.1 散熱片設計

對于軟包裝電池來說，由于其本身結構的特性，電池主體比較軟，同時又有不規整的鋁塑膜包裝邊緣。這樣既需要冷卻散熱又需要外部形狀支撐，直接冷卻方法不能實現。

散熱片是解決軟包裝電池熱結構設計的有效方法。根據軟包裝電池尺寸，設計散熱片結構。散熱片中間設置凹槽，電池發熱面與凹槽面緊密貼合，下端設置2個開口減輕散熱片的重量。2個散熱片構成一冷卻通道，冷卻風經由冷卻通道將電池熱量帶走，散熱片結構如圖1所示。

圖1 散熱片結構Fig.1 Structu re of heat sink

1.2 電池組熱結構設計

電池模塊是電池成組的基本單元。每個電池模塊由軟包裝磷酸鐵鋰電池、散熱片及ABS絕緣夾板組成，電池模塊結構如圖2所示。每2個散熱片之間放置1個電池，電池發熱面與散熱片緊密貼合，為提高導熱效率同時避免散熱片表面顆粒刺破電池外包裝鋁塑膜，在散熱片及電池間均勻涂抹一層導熱硅膠。同時ABS絕緣夾板、散熱片通過長拉桿將電池固定加緊。

圖2 電池模塊結構Fig.2 Structu re of battery m odu le

電池箱由電池模塊串聯組成，如圖3所示。電池箱一側均勻布置4個散熱風扇，另一側相應位置為進風口，如圖4所示。散熱風扇采用吸風的形式，冷卻風經由進風口，流經散熱片帶走熱量，由風扇排出，最大效率地利用空氣進行冷卻。

圖3 電池箱內部結構圖Fig.3 In ternal Structure of battery pack

圖4 電池箱結構圖Fig.4 Structure of battery pack

2 鋰離子電池組熱模擬仿真計算

鋰離子電池組熱模型計算建立在CFD方法的基礎之上，采用3D瞬態模型模擬電池箱內熱量傳遞情況。軟包裝鋰離子電池發熱量由絕熱量熱儀(ARC)實驗測量得到。

2.1 建立仿真模型

鋰離子電池組仿真計算建立在CFD方法的基礎之上，電池模塊模型如圖5所示。由于散熱片及電池長寬比例均較大，導致整個電池箱有限元網格數量巨大，模擬計算耗時時間長且工作站內存有限，根據模擬計算對稱原理，取電池箱的一半進行建模。

圖5 電池模塊結構模型圖Fig.5 M odel of battery pack

2.2 網格劃分

劃分網格作為整個數值模擬過程的一個重要環節，網格形式如何劃分對計算速度、計算規模將產生直接的影響，既要考慮網格數量、疏密、單元階次，又要考網格質量與網格布局。

網格劃分過程中，采用Remesher(表面重構)和Polyhedral(多面體網格)的形式，氣體與固體交界處進行邊界層拉伸，同時在流動與換熱劇烈的地方加密網格，以便更好的捕捉流動及熱傳導的變化情況。由于電池及散熱片長寬比很大，為了優化網格采用thin mesh網格。

圖6 電池箱內部網格截面圖Fig.6 Internalmesh cross-section of battery pack

2.3 控制方程

風冷散熱模型數值計算中主要涉及的物理問題有狹縫空腔中的對流換熱，以及固體之間的熱傳導。根據質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律數描述三維風冷時流動和傳熱過程的控制方程如下。

圖7 電池箱內部網格剖面圖Fig.7 In ternalmesh section of battery pack

對流換熱模式下的控制方程組為:質量守恒方程:

動量守恒方程:

能量守恒方程:

式(1)～式(3)中:ρ為流體密度，V為流體速度;υ，ν，ω為速度 V在 x，y，z方向上的分量;t為時間;p為壓力;μ為動力黏度;Su，Sν，Sω為動量方程的廣義源項;k為流體的導熱系數;cp為質量恒壓比熱;ST為流體內熱源及由于黏性作用流體機械能轉換為熱能的部分。

準的K_ε兩方程湍流模型為:K方程:

式(4)～式(6)中:ρ為流體密度;ui，uj為速度分量;t為時間;K為脈動動能，μ為動力黏度;μt為湍動黏度;σk為脈動動能的 Prandtl數;ε為耗散率;σε為耗散率 Prandtl數;c1，c2，cμ為系數。

2.4 邊界條件

進口采用壓力入口邊界條件，電池工作溫度設為環境溫度，出口采用風扇邊界條件。

計算域中設定兩種域，一種是流體域，另一種為電池及散熱片所在的固體域。

固體域中電池的熱物性參數見表1，流體域設為理想空氣。所有的氣固耦合面均設為非滑移壁面，并作為interface條件處理。

2.5 模擬計算結果分析

根據國內外相關報道，為保證電池組內溫度場的均勻性，使各電池的衰減一致，電池組間最大溫差須小于5℃。為使電池箱符合實際使用要求，不僅要滿足電池箱內溫差小于5℃，還需要考慮電池箱整體質量及散熱功耗。設計過程中依據以上要求對電池箱進行初步仿真，并針對仿真結果作出如下優化:1)修改散熱片厚度;2)調整單體電池間距;3)在不影響電池散熱的前提下降低風扇功耗;4)提高電池箱內空氣冷卻效率。

電池箱熱分析包括溫度場標量分布、流場流線分析、溫度隨充放電循環變化及溫度場溫差情況。

圖8為優化后的電池箱在充電末期時刻溫度場及流場分布情況。

圖8 電池溫度場、流場分布圖Fig.8 Tem perature scalar field and velocity field for battery m odule

從圖8中可以看出，冷卻空氣均勻流經底部散熱片，同時帶走電池充放電循環中產生的熱量，流場分布均勻，無渦流產生。

3 實驗驗證

依據仿真模擬結果加工電池箱進行實驗驗證。為掌握電池表面溫度隨充放電循環瞬態變化情況，在各電池表面設置溫度監控點，監控點布置如圖9所示。

圖9 電池箱溫度測試監控點示意圖Fig.9 Tem perature m onitoring points of battery box

圖10為電池表面溫度隨充放電循環變化圖，可以看出電池表面溫度隨充放電機制規律性變化，溫度變化范圍在20～24℃之間，最高溫度出現在放電末期，最高溫升為5℃。

圖10 電池表面溫度隨充放電循環變化圖Fig.10 Battery su rface tem perature changing with the charge-discharge cycling

圖11為電池組內溫度場最大溫差隨時間變化曲線圖。

圖11 電池溫度場溫差隨充放電循環變化圖Fig.11 Difference of battery su rface tem peratu re du ring the charge-discharge cycling

由圖11中可以看出，電池在每個充放電過程中，隨著時間的增加，電池間溫差逐步增大，最大溫差為2℃，滿足設計要求。

4 結論

針對軟包裝磷酸鐵鋰電池進行成組熱設計及

結構設計。根據軟包裝電池的特點設計散熱片，熱設計采用散熱片與空氣冷卻相結合的形式。成組結構上采用ABS絕緣夾板、散熱片通過拉桿將電池固定加緊，防止電池在充放電過程中出現體積膨脹及其他形變。基于計算流體動力學原理，通過模擬仿真計算，電池箱內流場分布均勻，最高溫度出現在放電末期，最高溫升為5℃，電池箱內最大溫差為2℃，滿足電池熱管理設計要求。

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