動力鋰離子電池套管式空氣冷卻結構模擬

林雄超， 邵苛苛， 盛 喆

(中國礦業大學(北京) 化學與環境工程學院，北京 100083)

鋰離子電池是目前使用最廣泛的二次電池，具有比能量高、自放電率低、壽命長、無記憶性等特點。鋰離子電池對溫度具有較高的敏感性，在較高溫度下，性能會發生顯著的降低，甚至會引起燃燒和爆炸[1]。為了保證電池組工作性能的穩定，單體電池的最大溫度差需要控制在5 ℃以內[2]。車用動力18650 鋰離子電池為圓柱型結構，相對于其他形狀的電池具有較小的散熱面積，在汽車啟動、加速和爬坡等大倍率放電過程中，電池組溫度可能會超過40 ℃。因此，為了保障電池組的安全和工作性能，需要冷卻方案來控制電池組溫度[3]。

目前，鋰離子電池組的冷卻方案按照冷卻介質可以分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻三種方式。液體冷卻是將冷卻板與電池組直接接觸，通過冷卻板將熱量導入冷卻液來達到降低電池組溫度的目的，由于液體具有較大的導熱系數和比熱容，因此其冷卻效果也較好。然而，冷卻液的散熱需要附屬的散熱裝置，將會額外消耗電量，降低電車的續航能力。相變材料冷卻是依靠其在相變過程中吸熱來對包裹的電池進行降溫的方法，但這種方式成本較高，難以大規模應用。空氣冷卻是采用對流換熱方式，將空氣吹掃至電池表面。這種冷卻方式設備簡單，成本低廉，具有較高的實用價值。傳統的空氣冷卻方式散熱效率低，很難滿足大倍率放電電池組的要求，因此，開發新型高效空氣冷卻結構具有較高的現實意義[4-5]。

對于周圍開孔圓管的新型冷卻結構的研究表明[3]，相對于增加開孔內徑和數量，空氣入口壓力對散熱有更顯著的影響。但是隨著放電倍率的增加，空氣入口壓力呈倍數增加，將額外消耗更多的電量。而將傳統的單向進氣改為往復進氣[6]，可以降低電池的溫度，明顯改善電池組溫度的均勻性，組內最大溫差僅為1.5 K。不同電池配置結構對溫度場也有較大的影響[7]，立方排列可以達到最大的冷卻效果，而六方堆積可以實現結構緊湊，空間利用率最大化。通過對沿軸向排列的電池組進行空氣冷卻[8]，發現增大電池之間間隔可以有效降低冷卻系統功耗，增加空氣流量有利于提高電池組溫度均勻性。空氣入口和出口對稱分布的U 形空冷系統和非對稱的Z 形結構[9]對比表明，U 形結構比Z 形結構的電池組最大溫差減少43%，能耗降低了33%。無論是軸向吹掃還是周期性循環掃掠電池組，都是為解決單體電池溫差較大的問題。在空氣入口處增加楔形進氣折流板[10]，大大緩解了相鄰電池之間的空氣再循環和死區問題，同時提高電池的冷卻效果和溫度均勻性，優化后的進氣板，最大溫度降低了18.3%，溫度均勻度提高了54.6%。然而隨著電池數量的增加，電池的溫度均勻性越來越難以控制，垂直軸向掃掠會導致空氣進出口處電池溫差較大，而周期性往復進氣會有較大的能量消耗。為了減小能量損耗，同時提高電池組溫度均勻性，提出了一種新型套管式冷卻結構，冷卻空氣沿軸向從電池兩端交錯逆流對電池進行冷卻。基于COMSOL Multiphysics 5.4 仿真平臺建立數值模型并和實驗結果對比進行精度和準確性驗證，為電池組的散熱優化設計提供思路。

1 電池模型

1.1 電池物理模型

套管式電池組空冷結構是由空氣套管和鋰離子電池兩部分組成，如圖1 所示。電池為圓柱型18650 鋰離子電池，額定容量2.2 Ah。套管為內部均勻開有空氣通道的圓筒結構，相鄰空氣通道內氣體流向相反。該套管高65 mm，外徑為12 mm，筒壁厚0.5 mm，隔板壁厚1 mm，分別設計了1、2、4、6 和8 五種不同通道數的套管。

圖1 套管式冷卻電池結構

1.2 電池熱量的產生和傳遞方程

1985 年，Bernardi 等[11]在實驗的基礎上提出了鋰離子電池的電熱模型，熱量來源可分為兩部分：一部分是電池的物理內阻引起的不可逆焦耳熱；另一部分是電池工作過程中由于電化學反應導致的可逆熵變熱。其產熱速率可用方程(1)來描述[12]：

式中：q為單位體積電池產熱量；I為工作電流；Eoc為開路電壓；E為工作電壓；T為電池溫度。

考慮到圓柱型電池的生熱和沿三個方向的導熱，因此能量方程可用方程(2)來描述：

式中：ρ 為電池平均密度；cp電池平均比熱容；λr，λφ，λz分別為沿電池徑向，周向和軸向的導熱系數。

1.3 流體傳熱控制方程

流體在通道內流動遵循連續性方程、動量守恒方程和能量守恒方程等[13]。

式中：ρ，cp，p，T，λ 分別為流體密度，比熱容，壓力，溫度和導熱系數。

1.4 邊界條件和網格獨立性檢驗

基于COMSOL Multiphysics 5.4 多物理場仿真軟件平臺建立了套管式鋰離子電池三維仿真模型，該模型包括一個圓柱型鋰離子電池和鋁制金屬套管結構。模型的有關物性參數如表1 所示。為了減少計算時間將對三維模型進行以下簡化：由于圓柱型電池的畢渥數(Bi)小于0.05，因此可以將電池作為徑向、周向、軸向導熱系數不同的圓柱形均勻發熱體。由于該模型為冷卻電池結構，因此在放電過程中溫度變化較小，忽略由于溫度變化而引起的電池內阻變化，認為發熱功率與放電倍率成線性關系，如表2 所示。由于電池溫度較低，電池與環境的輻射換熱被忽略，冷卻空氣視為不可壓縮流體。空氣入口處的雷諾數(Re)小于2 300，為層流流態，因此采用層流流動傳熱方程，空氣入口和出口處為恒定速度入口和壓力出口條件。電池上下表面為絕熱壁面。

表1 模型材料相關物性參數[14-15]

表2 不同倍率下電池發熱功率[14]

由于將電池簡化為直徑18 mm，高度65 mm 的均勻圓柱發熱體，考慮到網格數量和質量會對計算結果造成影響，因此在計算前，對模型進行網格獨立性檢驗，以電池最高溫度對網格進行評價，結果如圖2 所示。從圖中可以看出當網格個數達到29 023 時，電池的最高溫差僅為0.15%。因此，為了保證計算速度和精度，模型網格數目為29 023。

圖2 網格獨立性檢驗

2 結果與討論

2.1 模型驗證

為了驗證三維電池模型的可靠性，將其和實驗結果進行對比。模擬在2C(4.4 A)倍率下放電1 600 s 進行。模擬條件的環境溫度與實驗值保持一致，均為298.15 K，電池與環境對流換熱系數為5 W/(m2·K)，結果如圖3 所示。可以看出模擬值和實驗值的誤差較小，最大誤差僅為1 K，說明該模型具有較高的準確性和精度。

圖3 實驗值[14]與模擬值對比

2.2.1 氣體通道數量的影響

為了研究氣體流道數量對電池溫度的影響，分別采用1、2、4、6 和8 五種不同通道數量和0.1、0.5、1、2、3 和5 m/s 等六種流速。采用3C放電倍率，以電池最高溫度和最大溫差為衡量指標研究了上述條件的影響，結果如圖4 所示。各通道在3C倍率放電，1 m/s 入口流速下的溫度分布如圖5 溫度切片云圖所示。

圖4 不同通道和進口流速下溫度特性

圖5 各通道溫度云圖

從圖4 中可以看出隨著氣體通道數量的增加，電池的最高溫度和最大溫差都減小，而當通道數大于4 時，減小幅值幾乎不變。這是由于在1 通道情況下，氣體沿電池軸向流動，空氣和電池的熱交換發生在熱邊界層內，在以外區域，空氣的導熱系數比較小，導熱熱阻較大，導致電池熱量在邊界區域聚集無法有效導出。特別是在低流速下冷卻介質很快被加熱到接近電池表面的溫度，而導致熱量在電池內部累積無法導出，就會出現電池溫度較高而溫差較小的奇異點。如圖5(a)所示，由于邊界層熱量大量累積，導致套管外殼的溫度明顯低于電池溫度，電池溫度最高達326.01 K，溫差2.98 K。隨著氣體流速的增加，氣固接觸面上的換熱系數逐漸增大，接觸面上的電池局部溫度降低，而熱邊界層內溫差較小，傳熱動力減小；另一方面電池徑向導熱系數較小，最終導致電池外殼和中心部分溫差變大。當通道數增加到2 時，由于采用的是空氣交錯逆向流動的方式，在溫差驅動力作用下，電池中的熱量向低溫空氣域傳遞，當一個通道的空氣流動時，入口處空氣與電池溫差較大，換熱效率較高，當到達出口端時，空氣被加熱到較高的溫度，此區域傳熱效率較低，溫度較高，導致在出口與入口處形成溫差。由于冷卻介質采用逆流形式，高溫度與低溫度彼此接觸而相互冷卻，如圖5(b)所示。由于電池上下兩端均存在這種導熱機制，因而電池最高溫度和最大溫差明顯下降，溫度均勻性得到提高。隨著冷卻通道的增加，相鄰通道的逆流空氣通過之間的金屬隔板進行相互傳熱，有利于傳遞邊界層內熱量，同時隔板直接和電池接觸也會將部分熱量通過套管外殼導入空氣，散熱效果得到進一步加強。隨著通道數量的增加，由于隔板將熱量通過外部的圓筒與空氣進行自然對流換熱，而自然對流換熱的效率較低，因此，隔板導熱也會受到最大飽和值的限制，無法繼續增加。

2.2.2 入口流速的影響

從圖4(a)可以看出對于套管冷卻結構，流速的增加可以降低電池最高溫度，且氣體通道越多電池溫度下降幅度越大。當氣體流速達到5 m/s 時，電池的最高溫度均在安全范圍之內。從圖4(b)和圖6 可以看出隨著氣體流速的增加，電池的最大溫差在逐漸變大。此外，當流速較小時，積累的熱量將會使出口處的空氣被加熱到較高溫度，空氣域的熱量通過套管與外界大氣進行熱量傳遞較慢，會導致電池整體溫度較高而溫差較小。當氣體流速小于1 m/s 時，冷卻空氣在流道內可以形成一個完全加熱區，即熱量可以穿過邊界層而加熱整個橫截面上的空氣。在該區域內，熱量可以經由空氣而傳導入套管，并與外界空氣換熱。這種情況下，電池整體溫差較小。隨著流速的增加，電池傳出的熱量只能加熱局部區域，導致電池在靠近空氣域的薄層存在一個和空氣達到熱平衡的邊界層區域，這個區域熱量只能由流動空氣帶走，就會形成相對電池主體的低溫區，引起電池溫差的增加，而低溫區內溫差較小，不利于熱量的傳遞，導致當入口流速大于2 m/s 時，電池最高溫度下降幅度減小而最大溫差增加的現象。

圖6 各通道下不同入口流速的電池的最大溫差

2.2.3 套管材料的影響

電池的熱量一部分是由套管與大氣自然對流進行換熱，因此，套管的熱物理性質對傳熱也會有影響。選取了鋁、銅、鐵和鈦四種典型的金屬和尼龍非金屬材料，以3C倍率放電，4 通道冷卻結構1 m/s 流速進行研究，五種材料的物性參數和模擬結果如表3 所示。從表中可以看出，電池的溫度和材料的比熱容和導熱系數均有關系，一方面導熱系數越大，傳熱熱阻越小，有利于電池熱量的導出；另一方面材料的比熱容越小，傳輸相同的熱量時，其兩側溫差就較大，而較大的溫差驅動傳熱的進行，更利于熱量的傳導。在選擇套管材料的時候，還應考慮材料的密度，鋁的密度明顯小于其他四種金屬材質，因此綜合考慮可以選擇鋁。

表3 五種材料物性參數及電池平均溫度[15]

3 結論

開發了一種基于套管結構的空氣冷卻鋰離子電池組熱管理系統，并在3C放電倍率下，研究了套管流道數量、入口空氣流速對電池最高溫度和最大溫差的影響。在該散熱結構下，流道內空氣采取交錯逆流流向，相鄰通道內氣體流動反向。研究結果表明：

(1)隨著流道數量的增加，電池的最高溫度和最大溫差都顯著減小，當流道數量增加到4 之后，溫度變化不再明顯；

(2)入口氣體流速的增加一方面可以降低電池的最高溫度，另一方面會使電池的最大溫差升高，且氣體流速對電池溫度的降低存在飽和值，當氣體流速大于2 m/s 時，溫度變化不再顯著；

(3)為了降低散熱系統的能耗，套管材質選用金屬鋁材料。