汽車動力電池熱傳導特征分析與降溫控制研究

楊震

摘 要：本文以鋰鈷電池為研究對象，分析了鋰離子電池的生熱過程及傳熱特性，對電池的發熱情況做了模型構建，分析了汽車動力電池熱傳導特征，從而驗證了電池熱模型的合理性以及相關物理性能變量，基于此進一步分析不同工況下的空氣冷卻方式對電池組溫升的影響，發現強制空調熱冷卻方式可以大大提高了電池的冷卻效果，對汽車動力電池的可持續運行具有重要意義。

關鍵詞：動力電池 熱特性 降溫控制

Study on heat conduction characteristics and cooling control of automotive power battery

Yang Zhen

Abstract：This study covers the lithium cobalt electrode. As a part of the research， the characteristics of heat generation in the lithium electrodes are analyzed. In addition， the battery thermal sequence test was carried out， and the temperature rise data of the test and numerical simulation were compared.? Based on the further analysis of physical performance obtained by air cooling technology on different working conditions at different temperature levels， it is concluded that the forced air flow? cooling technology can significantly improve the battery cooling performance.

Key words：Power battery; Thermal characteristics; Cooling control

1 鋰離子電池熱特性分析

當前，鋰離子電池使用時的主要安全隱患在于高溫環境下運行時，電池內部的熱量分布不均且散熱過慢，這可能導致電池著火或爆炸。造成此問題的主要原因是電池內部的SEI膜在80℃時分解，電極與電解液發生化學反應，進而產生了大量的熱能[1]。所以對鋰離子電池的熱特性進行測試具有實踐意義。

1.1 發熱系統分析

根據研究發現，鋰離子電池的內部電化學反應和物理電阻是電池生熱的主要誘因。另外，當發生電化學反應時，鋰離子在電池的內部結構之間移動時，將產生內部極化電阻。現代鋰離子電池的理論研究表明，鋰離子電池在使用過程中產生的總溫度由以下成分組成：反應溫度Q1，內部極化電阻Q2，由歐姆電阻產生的內部電阻熱Q3，以及副反應熱能Q4。設鋰電池的實際總熱功率為Qtotal，則有如下公式[2]：

常用的理論計算方法是根據Bernadi于1985年提出的電池內部熱能均勻分布的前提下，以此構建電池生熱模型，該假設基于電池內部熱源穩定且產生的熱量均勻分布，通過不斷試驗，生熱速率可以簡化為如下所示[3]：

此次試驗使用當前的一般理論計算方法估算鋰離子電池的生熱情況。

1.2 熱傳導性能分析

以鋰離子電池為研究對象，內部電池的傳熱方法主要包括電池的內部導熱性，電池的外部輻射傳熱以及電池與空氣之間的對流傳熱。同時，鋰離子電池所產生的發熱情況屬于能量轉換過程，因此必須遵守能量守恒定律[4]：

其中，Qt表示電池功能作用下產生的總熱量;Qa為電池吸熱熱量，Qb為電池與環境互相傳遞的熱量，△T為溫差，則電池本身吸收的熱量可以使用以下公式計算[5]：

其中，mi表示電池的微原體質量，C是電池內部比熱。由于存在溫差所以電池內部會進行熱傳遞，通常由熱傳導、熱對流以及熱輻射的形式進行。根據主、次情況不同，因此可以在估算電池的溫度時忽略一些熱交換情況[6]。

2 溫升特性實驗

本文在室溫為25℃的情況下對圓柱形18650鋰離子電池上進行2A、3A、4A和5A直流放電進行了實驗。主要測試電池的表面溫度。與內部電阻器實驗相比，溫升測試實驗規避了脈沖放電過程，主要是在一定時間內不斷對電池放電并輸出相關數據，實驗步驟如下：

1）在室溫25℃下，以正常充電模式對實驗鋰離子電池充滿電，然后放置t時間;2）設置連續放電電流為2A，并根據SOC值累加方法確定連續放電時間為2400秒，以使電池空間處于完全放電狀態;3）恒流放電時，每400秒用紅外測溫儀檢查電池表面溫度并記錄數據;4）放電電流分別為為3A、4A和5A時，連續放電時間設定為2400s、1800s、1440s，重復實驗步驟并相應地調整記錄時間，分別約為200s和150s。

實驗結果顯示如圖1所示：

分析可知在相同的放電時間內放電電流越大，電池表面的溫度越高。

3 電池組熱模型和空氣冷卻仿真分析

通過CFD對給定恒定電流的電池冷卻形態進行模擬，分析電池組在不同放電電流和冷卻條件下的溫度升高特性。選擇放電電流為2A、3A、4A和5A，在模擬動力電池冷卻時，冷卻空氣被認為是密度等定的流體。

3.1 電池組模型

為了確保網絡質量并提高計算速度，電池組的網絡模型使用組織化網格劃分方法將模型分為多網格形式。電池和流體的網絡數量為189587，節點數量為171328。

3.2 電池組冷卻仿真

參考流體系統的傳遞情況，流體的流動狀態主要包括層流和湍流。流體以層流的形式流動的特征在于流體僅根據軸向運動，以湍流形式流動的流體在各個方向都有速度，沒有特殊的規律[8]。雷諾系數Re通常用于定義流體流動狀態。本部分試驗進風口主要參數（湍流）如表1所示：

3.3 不同冷卻條件下鋰離子動力電池組熱特性分析

通過以下兩個工況條件來分析和討論電池組的溫升特性：1）25℃的環境風在電池4A和5A放電時的溫度變化;2）20℃空調風下以4A和5A放電的溫度影響。

3.3.1 環境風對流冷卻方式

環境風溫度冷卻方法利用自然界中的自然風來冷卻電動汽車的電池，并且周圍的風溫與電池所在的環境溫度基本相同，在此部分中設定的環境溫度為25℃。

（1）將冷空氣溫度設定為25℃，并將冷卻入口的流體流速設定為2m/s和4m/s。在這些條件下，電池將以4A的恒定電流放電600秒。

（2）將冷空氣溫度設定為25℃，并將冷卻入口的流體流速設定為2m/s和4m/s。在這些條件下，電池以5A的恒定電流放電600秒鐘。

3.3.2 空調風強制對流冷卻方式

空調風冷卻來自于電動汽車內部的冷卻設備。設定空調的冷卻空氣溫度為20℃，電池的工作環境溫度仍然為25℃，流體流速分別為2m/s和4m/s。當空調風速為2m/s時，電池內的極端溫度為47.28℃和35.16℃;風速以4m/s通過時，電池的最高和最低溫度分別為44.53℃和32.7℃，這表明溫度較低的空氣風的冷卻效果要好于環境風，較高的風速可以提高冷卻效果。比較空調風進行電池制冷和環境風制冷后電池組的溫度變化如表2所示。

4 結論

通過Fluent軟件對電池組在室溫冷卻、環境強制性熱冷卻以及空調強制性冷卻情況下的溫度變化模擬研究，得出以下結論：

（1）無冷卻條件下電池組工作時隨著放電電流增加，電池組溫升越高;

（2）放電電流為5A，環境風冷卻后電池組最高溫度為48.82℃和44.53℃，電池組冷卻效果明顯提升，環境風風力越強冷卻效果越好;

（3）放電電流為5A，空調風冷卻后電池組最高溫度為47.28℃和41.56℃，風速強度冷卻效果優于環境風溫度，空調風冷卻效果好于相同工況下的環境風，但溫差更大，冷卻效果不均，溫度梯度明顯，需著眼于電池組整體溫控效果進行改進。

參考文獻：

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[2]朱曉慶，王震坡，WANG Hsin，王聰. 鋰離子動力電池熱失控與安全管理研究綜述[J]. 機械工程學報，2020，56（14）：91-118.

[3]黃富霞，趙津，袁征，等. 動力電池微細通道散熱數值分析研究[J]. 熱科學與技術，2020，19（04）：347-352.

[4]姚程寧，丹聃，張揚軍，等. 基于電池熱管理系統的微通道熱管陣列的傳熱性能[J]. 科學通報，2020，65（31）：3485-3496.

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