基于Fluent的電動汽車鋰電池散熱特性仿真

姚禹軒

基于Fluent的電動汽車鋰電池散熱特性仿真

姚禹軒

（長安大學，陜西 西安 710064）

為了分析電池散熱問題，文章采用有限元仿真的方法，對串行和并行兩種散熱方式進行對比方針研究。首先分析了鋰電池產熱原因，對其產熱特性進行了研究。然后針對某款鋰離子電池，使用有限元仿真軟件Fluent，對串行和并行的兩種風冷散熱模式進行模擬仿真研究。結果表明：串行通風散熱時電池散熱比較均勻，靠近進出風口的電池散熱效果較好；并行通風散熱時散熱效果逐漸遞增，越靠近出風口的電池散熱效果越好。

鋰離子電池；電池散熱；電動汽車

1 鋰電池結構與原理

鋰離子電池是二次充電電池，它在電池充放電過程中依靠鋰離子在正負極之間的來回移動進行充電或放電的工作[1]。鋰離子電池在結構上主要有五大部分：正極材料、負極材料、電解液（電解質）、隔膜、外殼與電極引線[2]。

鋰離子電池主要由正極集流體鋁箔、正極材料、電解液、隔膜、負極材料和負極集流體銅箔構成。在最初幾次循環時電池的負極和電解液之間會形成膜[3]。電池的內部結構圖如圖1所示。

鋰離子電池是在充放電過程中只有鋰離子嵌入嵌出電池正負極材料的電池。通過鋰離子的不斷嵌入和嵌出動作來實現鋰離子電池的充放電過程。在此過程中，同時外電路的與鋰離子等量的電子也進行同樣的遷移運動[2]。

圖1 電池內部結構

式中M為Co、Ni、Mn、Fe等；正極材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFeO2等；負極材料有石墨等；電解質是鋰鹽溶于有機溶劑中形成的溶液[4]。

2 磷酸鐵鋰電池生熱機理

磷酸鐵鋰電池在充放電過程中，鋰離子Li+的嵌入、脫嵌和電子e-在外電路的遷移過程在能量方面表現為吸熱和放熱反應。電池充電和放電工況下電化學反應為可逆反應，放電工況下為放熱反應；鋰離子Li+擴散速度小于電池內部電化學反應速度時，形成的容差極化內阻生成極化反應熱；電池內部電極材料、電解液、隔膜等接觸內阻構成的電池內部歐姆內阻，產生的焦耳熱是磷酸鐵鋰電池內部主要產生熱量；同時由于電池內部電解液分解或電池自放電作用，電池內部也會產生一部分副反應熱[5]。

3 鋰電池冷卻方式

3.1 氣體散熱冷卻

氣體散熱包括強制對流散熱和自然對流散熱，強制對流散熱是通過安裝冷卻風扇，或者利用車輛自帶的散熱器為電池組進行散熱；而自然對流散熱則是直接將外界的自然風通入電池組進行散熱。散熱方式有串行通風和并行通風兩種[2]。如下圖2所示：

圖2 氣體冷卻式對比圖

3.2 液體冷卻

液體冷卻是利用導熱率相對較高的液體介質間接或直接接觸電池來散熱的一種方法。傳熱液體介質可以采用水、乙二醇、礦物油以及制冷劑等[2]。液冷分為間接冷卻與直接冷卻兩種，間接冷卻是利用換熱結構和電池接觸，冷卻液流過換熱結構帶走電池的熱量，而直接冷卻是將電池整個放在冷卻液中，與冷卻液直接接觸[7]。

4 實驗仿真

4.1 電池基本參數

本文選用的電池為磷酸鐵鋰電池，由神州巨電新能源科技開發有限公司所生產的神州遠望鋰聚合物電池（JD135440150F 3.20 V/330 Ah）。這次實驗是將5節電池串聯成組。本文采用1×5排列，間距10 mm。電池基本信息參數見表1[2]：

表1 單體電池基本參數

電池特性值 額定容量/Ah330 額定電壓/V3.2 截止電壓/V2.5 電池長度/mm445 電池寬度/mm72 電池高度/mm172 電池重量/g49.5 電池密度/（kg/cm3）2 018 平均比熱容/（J/(kg·K)）1 282 x方向導熱系數/（W/(m·K)）0.913 y、z方向導熱系數/（W/(m·K)）2.732

環境溫度為300 K，速度入口（初始風速為8 m/s），壓力出口（背壓為0），且選用層流模型。邊界條件為空氣與電池箱外壁屬于對流換熱，其換熱系數為5 W/(m2·K)。

4.2 放熱速率計算方法

放熱速率的計算采用美國加州大學伯克利分校D.Bernardi的電池生熱速率模型。生熱速率的數學模型為[2]：

實施風選項目后，2017年，該煤炭企業原煤產量為67.74萬噸，其中商品煤銷售總量58.84萬噸，塊煤銷量13.52萬噸，塊煤率22.98%，商品煤綜合售價459元/噸，塊煤綜合售價643元/噸，商品煤銷售收入達2.7億。

4.3 幾何模型建立與網格劃分

4.3.1串行通風

本實驗利用Gambit進行網格繪制，對電池與周圍空氣繪制四面體網格，網格尺寸為10 mm。

圖3 串行散熱結構圖

圖4 串行散熱網格圖

4.3.2并行通風

本實驗利用Gambit進行網格繪制，對電池與周圍空氣繪制四面體網格，網格尺寸為10 mm。

圖5 并行散熱結構示意圖

圖6 并行散熱網格示意圖

幾何模型建立完成后將模型導入到商用CFD軟件Fluent進行邊界條件設置與計算。

4.4 邊界條件設置與計算

在接下來的有限元仿真中，采用顯式Coupled算法和二階迎風的方法，Coupled算法耦合了流動和能量方程，可以更快地收斂。

4.4.1串行通風

電池包采用串行通風，左側為半徑為80 mm的圓形進風口，設置為velocity-inlet，進口風速為8 m/s，右側半徑80 mm的圓形出風口，設置為pressure- outlet，靜壓為0。各電池單體之間的距離10 mm，電池殼體設置為剛體，材料采用高碳鋼，與電池留有10 mm的縫隙。電池包的內部其余部分材料設置為空氣，殘差設置為默認并進行計算，迭代步驟為100步。串行散熱100步的能量計算圖如圖7所示：

圖7 串行散熱100步能量計算圖

圖7中可以發現函數基本收斂，可以認為能量趨于穩定。

4.4.2并行通風

電池包采用并行通風，左側為半徑為三個15 mm的圓形進風口，圓心之間間距50 mm，設置為velocity- inlet，進口風速為8 m/s，右側同樣為三個15 mm的圓形出風口，風速為8 m/s，設置為pressure-outlet，靜壓為0。電池間的間距10 mm，電池殼體采用剛體，材料設置為高碳鋼，與電池留有10 mm的縫隙，內部其余部分材料設置為空氣。迭代步驟為100步，殘差設置為默認并進行計算，迭代步驟為100步。串行散熱100步的能量計算圖如圖8所示：

圖8 并行散熱100步能量計算圖

圖8中可以發現函數基本收斂，處于穩定略有波動的狀態。

4.5 結果分析

4.5.1串行通風結果分析

圖9與圖10為串行散熱條件下電池包內空氣流動速度的矢量圖與電池溫度云圖。

圖9 串行散熱空氣流動速度矢量圖

串行通風條件下，空氣從進風口進入后，流速較為均勻，主要沿著電池側面流出，電池間的空氣流動速度較慢。

從電池溫度云圖中可以發現電池散熱效果較明顯，最高溫度324 K。溫差約為10 ℃。靠近電池中心的溫度較高，靠近進出風口的電池溫度較低。由于空氣在電池間流速較慢，與電池耦合換熱的過程中所能帶走的熱量較少，所以處于電池包中心處的電池溫度較高。但總體來看各電池間空氣流速較為平均，電池整體溫度分布較為均勻。

圖10 計算100步串行散熱仿真溫度分布圖

4.5.2并行通風結果分析

圖11與圖12為并行散熱條件下電池包內空氣流動速度的矢量圖與電池溫度云圖。

圖11 并行散熱空氣流動矢量圖

并行通風條件下，空氣從進風口進入后，從電池表面流過，空氣與電池表面接觸面積更大，但每個通道流速不均勻，越是靠近出風口的空氣流速越快。

圖12 計算100步并行散熱仿真溫度分布圖

電池溫度云圖如圖12所示，從云圖中可以看出，電池最高溫度335 K。溫差約為14 ℃?？拷姵剡M風口的溫度較高，靠近出風口的電池溫度較低。由于空氣與電池接觸面積更大，與電池耦合換熱的過程中帶走熱量更多。但由于靠近進風口空氣流速過慢，導致靠近進風口處的電池溫度過高，電池間溫差較大。電池包整體溫度一致性較差。

5 結論

串行散熱時電池與流動的空氣接觸面較小，所以散熱效率較低，但總體各電池之間溫度差距較小，最熱點處于中心電池的中心處。并行散熱溫度受涵道長度與電池間間隙影響，電池靠近出風口的散熱較好，但入口處由于空氣在該位置流動速度較慢，故容易積累熱量，最熱電池為靠近進風口中心處。

總體來說簡單的串并行風冷并不能很好地滿足電池散熱需求，故需要通過復合散熱方法搭建更復雜的風冷平臺，或進行水冷來提高散熱性能，以保持電池溫度。

[1] SUN H,WANG X,TOSSAN B,et al.Three-dimensional the- rmal modeling of a lithium-ion battery pack[J].Journal of Power Sources,2012,206(9):349-566.

[2] 辛乃龍.純電動汽車鋰離子動力電池組熱特性分析及仿真研究[D].長春:吉林大學, 2012.

[3] 毛松科.鋰離子電池生產工藝及其發展前景[J].化工時刊,2019, 33(09):29-32.

[4] 李濤.純電動汽車鋰離子電池熱效應及電池組散熱結構優化[D].重慶:重慶大學,2013.

[5] 葛子敬.電動汽車磷酸鐵鋰電池組風冷散熱系統研究[D].廣州:華南理工大學,2016.

[6] 陳玉紅,唐致遠,賀艷兵,等.鋰離子電池爆炸機理分析[J].電化學,2006(03):266-270.

[7] 邱翔,陳誠,李家驊,等.動力鋰電池組液冷散熱分析及優化 [J].電源技術,2020, 44(04): 501-504.

Simulation of Heat Dissipation Characteristics of Lithium Battery of Electric Vehicle Based on Fluent

YAO Yuxuan

( Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

In order to analyze the problem of battery heat dissipation, the serial and parallel heat dissipation methods are compared by using the finite element simulation method. Firstly, theheat genera- tion reasons of lithium battery are analyzed, and its heat generation characteristics are researched. Then, for a certain lithium-ion battery, the finite element simulation software Fluent is used to simulate the serial and parallel air-cooled heat dissipation modes. The results show that the heat dissipation of the battery is relatively uniform during serial ventilation and the battery near the air inlet and outlet has good heat dissipation effect. In parallel ventilation and heat dissipation, the heat dissipation effect increases gradu- ally, and it is better when the battery is close to the outlet.

Lithium-ion battery; Battery cooling; Electric vehicle

A

1671-7988(2022)01-01-05

U469.72

A

1671-7988(2022)01-01-05

CLC NO.:U469.72

姚禹軒，就讀于長安大學。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.001.001