鋰電池溫度分析及內部結構散熱優化

孫明生，洪 杰，李 揚，徐志成，范 奇，王 軍

(1. 江蘇省新能源開發股份有限公司，南京 210005；2. 江蘇省太陽能技術重點實驗室，南京 210096；3. 東南大學能源與環境學院，南京 210096)

0 引言

可再生能源電力具有波動性與間歇性，其大規模接入電力系統，會給電力系統的安全穩定運行帶來巨大挑戰，而儲能系統的引入可以有效提高可再生能源電力接入電力系統的效率與電力系統的安全穩定性[1]。目前，鋰電池作為許多手持式和便攜式電子設備的主要電源，也越來越多地被應用于電動汽車、混合動力電動汽車和儲能系統中[2-4]。但熱失控問題始終是阻礙鋰電池在不斷發展的儲能市場中廣泛應用的主要原因之一[5]，即鋰電池在工作過程中會產生溫升現象，這將極大影響其自身壽命并帶來安全隱患[6]。本文根據特定型號的鋰電池在不同倍率下的充放電溫升實驗，得到相應數據并建立鋰電池熱效應三維模型，通過ANSYS仿真軟件模擬相應工況，并通過改變鋰電池內部結構提出可改善鋰電池工作溫度的可行性方法。

1 鋰電池充放電溫升實驗

1.1 實驗樣品及實驗設備

本文以深圳普蘭德儲能技術有限公司生產的E6Y-10S型號的鋰電池作為研究對象。該鋰電池內部由10節電芯串聯組成，標稱容量為200 Ah，標稱電壓為32 V。鋰電池的實物如圖1所示。

圖1 鋰電池的實物圖Fig. 1 Photo of lithium battery

充放電溫升實驗使用的設備為寧波拜特測控技術股份有限公司生產的電池性能測試儀，其實物圖如圖2所示。

圖2 電池性能測試儀實物圖Fig. 2 Photo of battery performance tester

1.2 實驗流程

充放電溫升實驗中控制鋰電池的充電電流為40 A，主要通過改變鋰電池的放電電流來研究其在工作過程中的溫度變化。具體的實驗流程為：

1)鋰電池靜置60 s；

2)對鋰電池進行恒流充電，充電電流為40 A，充電倍率為0.2 C；

3)充電后的鋰電池靜置600 s；

4)對鋰電池進行恒流放電，放電電流分別為40、60、80、100 A，對應的放電倍率分別為0.2、0.3、0.4、0.5 C。

1.3 實驗結果分析

將通過充放電溫升實驗得到的實驗數據進行整理，以鋰電池溫度的絕對溫升和絕對溫降來表示鋰電池的溫度變化。充電階段的倍率均為0.2 C，充放電之間靜置時間為600 s，不同放電倍率時鋰電池的溫升-時間曲線如圖3～圖6所示。值得注意的是，實驗得到的實驗數據為1組存在規律的散點，溫升-時間曲線是通過將散點進行歸類整理得到的，其主要是為了突出一段時間后鋰電池的溫升結果，并未對中間的發熱過程進行具體研究。顯而易見的是，鋰電池的發熱并不均勻，因此溫升-時間曲線應該是不規則的曲線，但由于本文的研究重點在于鋰電池具體的溫升結果，因此此處進行了簡化。此外，由于本文將鋰電池的充電與放電過程看成2次溫升過程，而每個過程均存在溫升，因此圖中均有2條溫升曲線。

圖5 充電倍率為0.2 C、放電倍率為0.4 C時鋰電池的溫升-時間曲線Fig. 5 Temperature rise-time curve of lithium battery at charging rate is 0.2 C and discharge rate is 0.4 C

圖6 充電倍率為0.2 C、放電倍率為0.5 C時鋰電池的溫升-時間曲線Fig. 6 Temperature rise-time curve of lithium battery at charging rate is 0.2 C and discharge rate is 0.5 C

從圖3～ 圖6中可以看出，在充電倍率均為0.2 C的情況下，隨著放電倍率的增大，放電階段鋰電池的溫升逐漸提高。

將不同放電倍率(0.2～0.5 C)下鋰電池的溫度變化結果用origin軟件進行線性擬合，得到的溫升-放電倍率擬合曲線如圖7所示。

圖7 鋰電池的溫升-放電倍率擬合曲線Fig. 7 Temperature rise-discharge rate fitting curve of lithium battery

從圖7可以得到鋰電池的放電倍率與其溫升的關系為：

式中，x為放電倍率；y為鋰電池的溫升。

該鋰電池的工作溫度限值為-20～+55 ℃，由式(1)可知，在環境溫度為15 ℃的條件下，放電倍率超過3.67 C時，鋰電池的工作溫度將在放電期間超出其工作溫度的限值，引發危險。因此，有必要對鋰電池進行散熱優化。

2 鋰電池的充放電溫升仿真分析

采用ANSYS仿真軟件建立鋰電池的熱效應三維模型，確定充放電仿真中各項參數的值，研究鋰電池工作過程中的溫升情況，對鋰電池內部結構的散熱優化進行分析。

2.1 鋰電池熱效應三維模型的建立

本文使用ANSYS仿真軟件對鋰電池進行熱效應三維模型的建立。該鋰電池外部尺寸的長、寬、高分別為424 mm、308 mm、300 mm；其中，鋰電池的鋁合金外殼，厚度在X方向和Y方向均為3 mm，在Z方向為2 mm；單體電芯的間隙在X方向為2 mm，在Y方向為1 mm。為了簡化模型，所建立的三維模型忽略了鋰電池的正、負極柱。建立的鋰電池熱效應三維模型如圖8所示。

圖8 鋰電池的熱效應三維模型Fig. 8 Thermal effect 3D model of lithium battery

為了提高ANSYS仿真軟件的計算速度和收斂速度，使用六面體結構化網格對鋰電池熱效應三維模型進行劃分，網格數量為650422個。鋰電池外部結構的網格劃分和內部結構的網格劃分分別如圖9、圖10所示。

圖9 鋰電池外部結構的網格劃分圖Fig. 9 Grid division diagram of external structure of lithium battery

圖10 鋰電池內部結構的網格劃分圖Fig. 10 Grid division diagram of internal structure of lithium battery

2.2 鋰電池的充放電溫升仿真中各項參數的確定

實驗選用的鋰電池外殼所用材料為鋁合金，前、后壁鋁合金外殼的厚度均為2 mm，其他壁面鋁合金外殼的厚度均為3 mm；鋰電池外部的對流換熱介質為空氣。查閱技術手冊《量熱技術和熱物性測定》[7]，可得到不同物質的各項特性參數，具體如表1所示。

表1 不同物質的特性參數表Table 1 Characteristic parameters of different substances

將上述參數在軟件中設置好之后，利用實驗中充電與放電之間靜置600 s時間的溫降來確定鋰電池表面自然散熱的對流傳熱系數。設定鋰電池的初始溫度為19 ℃，當對流傳熱系數設置為5 W/m2時，鋰電池的溫降模擬結果如圖11所示。

從圖11中可以看出，鋰電池在靜置600 s后的溫降約為0.09 ℃，與前文實驗得到的溫降0.1℃這一結果的誤差較小，滿足需求。

設定鋰電池的初始溫度為15 ℃，利用其在實驗中充電階段的溫升數據及驗證后的對流換熱系數，對充電倍率為0.2 C的充電階段的鋰電池進行模擬計算，以確定鋰電池的生熱速率，得到的結果如圖12所示。

圖12 以0.2 C的充電倍率恒流充電時鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 12 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery when constant current charging at charging rate of 0.2 C

從前文圖3～ 圖6的實驗結果可知，以0.2 C的充電倍率完成恒流充電后，鋰電池的平均溫升為4.2 ℃。仿真模擬時通過不斷調試，將內部單體電芯的生熱速率設定為85 W/m2，可得到近似結果。因此，每個單體電芯均可近似視作1個以85 W/m2生熱速率均勻發熱的熱源。

以此類推，可以得到分別以0.2、0.3、0.4、0.5 C的放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱速率，仿真模擬結果如圖13～ 圖16所示。

圖13 以0.2 C的放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 13 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.2 C

圖14 以0.3 C的放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 14 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.3 C

圖15 以0.4 C的放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 15 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery under constant current discharge at discharge rate of 0.4 C

由圖13～圖16的仿真模擬結果可以得到不同放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱速率，具體如表2所示。

表2 不同放電倍率恒流放電時鋰電池的生熱速率結果Table 2 Results of heat generation rate of lithium battery under constant current discharge with different discharge rates

3 鋰電池內部結構散熱優化的仿真分析

實驗選用的鋰電池內部單體電芯的結構為長方體，截面形狀為矩形，尺寸為150 mm×58 mm。現保持單體電芯的截面積基本不變且長度不變，將截面形狀改為93.274 mm×93.274 mm的正方形，并保持各單體電芯的間隙和鋰電池外部鋁合金外殼的厚度不變。內部單體電芯的截面形狀改為正方形后的鋰電池熱效應三維模型如圖17所示。對內部結構改變后的鋰電池熱效應三維模型進行網格劃分，鋰電池外部結構和內部結構的網格劃分結果分別如圖18、圖19所示。

圖17 內部單體電芯的截面形狀改為正方形后的鋰電池熱效應三維模型Fig. 17 Thermal effect 3D model of lithium battery after cross-section shape of internal single cell is changed to square

圖18 內部結構改變后的鋰電池外部結構的網格劃分結果Fig. 18 Grid division result of external structure of lithium battery with changed internal structure

在單體電芯數量、環境溫度、各項散熱系數和鋰電池的生熱速率均保持不變的情況下，測量與此前實驗中相同充、放電倍率下，內部結構改變后的鋰電池的溫升情況，其生熱溫度場和截面溫度分布情況分別如圖20～圖24所示。

圖21 以0.2 C的放電倍率恒流放電時，內部結構改變后鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 21 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.2 C

圖22 以0.3 C的放電倍率恒流放電時，內部結構改變后鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 22 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.3 C

圖23 以0.4 C的放電倍率恒流放電時，內部結構改變后鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 23 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.4 C

圖24 以0.5 C的放電倍率恒流放電時，內部結構改變后鋰電池的生熱溫度場和截面溫度分布Fig. 24 Heat generation temperature field and cross-section temperature distribution of lithium battery with changed internal structure when constant current discharge at discharge rate of 0.5 C

由于改變了截面形狀，雖然單體電芯的體積不變，但單體電芯的表面積及鋰電池表面的鋁合金外殼的表面積均發生了變化。將內部結構改變后的鋰電池熱效應三維模型與原始熱效應三維模型的仿真結果和表面積變化進行匯總，如表3所示。

表3 不同鋰電池熱效應三維模型時各項數據的對比Table 3 Comparison of various data in different thermal effect 3D models of lithium battery

從表3中可以發現，當單體電芯的截面積基本不變但截面形狀由矩形變為正方形時，單體電芯的表面積及鋰電池鋁合金外殼的表面積均有所減小，這意味著整個電池組內所有單體電芯的總散熱量會相應降低，并不利于鋰電池的溫度控制。但同時，電池組內部的流道空間有所增大，相應會增大電池組內部的對流傳熱效果，從而帶走更多熱量。

截面形狀由矩形變為正方形后，從電池組內部單體電芯的溫升結果可以看出，在各個充、放電倍率時，電池組內部所有單體電芯的溫升值均相應減小，從而使整個鋰電池的溫升值也相應減小。由此可以表明，在單體電芯的截面積基本相同時，相對于矩形截面，正方形截面更有助于鋰電池的熱管理優化，主要原因在于電池組內部的流道空間增大，提升了電池組內部的對流傳熱效果，從而帶走了更多熱量。

4 結論

本文對特定型號的鋰電池在室溫、無散熱條件下進行了特定充、放電倍率的充放電溫升實驗，并得到了相應的實驗數據；在建立相應的鋰電池熱效應三維模型后，確定了仿真中對應的熱物性參數；隨后通過將鋰電池內部單體電芯的截面形狀從矩形改為正方形，探究了改善鋰電池工作溫度的內部結構形式，得出以下結論：

1)對鋰電池進行特定倍率下的充放電溫升實驗后發現，在充電倍率不變時，隨著放電倍率的增加，鋰電池的整體溫升也逐漸提高。由實驗數據擬合推演可知，實驗所選用的鋰電池在環境溫度為15 ℃的條件下，放電倍率超過3.67 C時其工作溫度將在放電期間超出自身工作溫度的限值，引發危險。因此，對鋰電池進行散熱優化很有必要。

2)通過仿真建立新的鋰電池熱效應三維模型，保持內部單體電芯的截面積基本不變且長度不變，將截面形狀由矩形改為正方形，并維持單體電芯的數量和間隙、鋰電池外表面的鋁合金外殼厚度、環境溫度、各項散熱系數和鋰電池的生熱速率均不變，此時由于電池組內部的流道空間增大，相應會提升電池組內部的對流傳熱效果，從而會帶走更多熱量。正方形截面的鋰電池熱效應模型在由表面積減小引起的整體散熱量降低的情況下，在相同的放電倍率時引起的溫升更小，這一發現對鋰電池的熱管理有一定的優化效果。未來可對該散熱結構進行深入研究，存在進一步優化的可能。