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浅谈动力锂电池热管理研究体系

   次浏览   汽车热管理之家   2021-03-20

摘要:本研究体系以动力锂电池的热管理关键技术为对象,基于动力锂电池的发热情况,研究与动力锂电池热管理密切相关的PACK箱和汽车电池舱的综合散热,并通过数值仿真技术对PACK箱和电池舱散热结构进行优化。

锂电池因自身的独有优势迅速成为了电动汽车以及便携式设备的重要核心,但是锂电池的进一步发展还面临很多困难,除去基本的成本等经济因素外,其热管理是饱受诘难的问题之一。在充放电过程中,电池内部电化学材料产生化学反应热,由于电池单体间空间狭小,大量热量累积。如果这部分热量不能及时传递到电池舱,或者电池舱内散热条件不佳,会造成PACK箱内电池温度场分布不均匀,电池单体及模组间温差离散化加剧,从而影响电池单体的充放电性能、安全性以及循环寿命等。且现有理论研究的局限性,汽车空气动力学,主要关注汽车减阻;传热学和热力学,则主要解决汽车散热和能量高效利用。建立动力锂电池热管理研究体系十分必要。

1 研究体系线路

本研究体系以动力锂电池的热管理关键技术为对象,基于动力锂电池的发热情况,一般电池组内部温差要小于5℃[1-2],研究与动力锂电池热管理密切相关的PACK箱和汽车电池舱的综合散热,并通过数值仿真技术对PACK箱和电池舱散热结构进行优化,从而达到降低动力锂电池单体最高温度和电池单体之间以及其组成的模组之间温差的目的,为锂电池PACK箱的开发和电池舱设计提供理论指导和技术支撑。

2 确定动力锂电池发热模型

通过实验,对锂电池物性和发热量等重要参数进行测量,并根据锂电池工作原理选择合适的动力锂电池发热模型,结合前期测量数据,对模型进行优化,使电池发热模型能够反映真实电池的发热情况。

2.1 锂电池发热模型建立

进行相关技术调研与理论研究,确定电池发热模型。电池生热主要包括内部电化学反应产生的热、电流通过电阻产生的焦耳热、化学反应过程中电极引起的极化内阻产生的极化热,以及高温工作下电解质发生分解反应产热。

(1)电池的总生热量可以表示为:

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其中Qr为反应热,Qp为极化热,Qj为焦耳热。

(2)反应热

电化学反应热主要与电池熵变有关,根据化学反应可逆可知,这部分热量也是可逆的,充电时是吸热反应所以为负值,放电时为正值。

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(3)极化热

极化热是指电池在充放电过程中在电极表面产生极化现象,造成工作电压与开路电压产生偏差,这部分偏差产生的热量。在充放电末期,这部分热量会急剧增加。这部分热量在充放电过程中均为正值,其能量可以用焦耳定律表达为:

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(4)焦耳热

焦耳热是指电池内部电阻产生的热量,主要与电池的放电倍率即电流的大小有关,属于不可逆反应热。这部分热量在充放电过程中也都是为正值,用焦耳定律表达为:

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根据以上公式,电池总生热量可表示为:

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电池充放电过程中可逆反应热部分有正负之分(充电时为负、放电时为正),因此充电过程总生热量要小于放电过程总生热量,即充电过程电池温升小于放电过程温升。但由于充电过程车辆处于静止状态,电池仓内空气循环流动仅仅依靠PACK本身散热风扇,其循环风量与放电过程(车辆处于运动状态)相比可以忽略不计,实际充电过程电池温升实际要大于放电过程。因此需要将电池发热模型耦合到PACK散热,并与整车散热结构进行整体分析研究。

3 CDF数值仿真及优化

3.1 PACK箱散热仿真及结构优化

使用CREO建立PACK箱几何模型,并用网格划分软件ICEM进行网格划分,结合建立的锂电池发热模型,采用CFD软件FLUENT对其流动传热特性进行数值仿真,分析风冷风道内流体流动和传热特性,研究各部分传热热阻,优化电池布置方式和流道结构,降低热阻,增强PACK箱的传热和均热性能,从而降低单体电池最高温度和电池之间的温差。

3.1.1 PACK箱的仿真几何模型构建与网格化

风道结构不变,紧固件、连接件、装配间隙、倒圆角、倒钝角等结构均可进行几何清理

控制方程为

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初版方案,计算总散热量542.8W,其中风道散热526W,风道风量0.0465m3/s,电芯最高温度52.2℃,Z型铝排最高温度51.5℃。

3.1.2 仿真结果分析与优化——芯体发热速率、材料导热速率、对流传热速率的耦合协同

(1)增大波浪形风道宽度,相较原始设计模型,风道压损减小3.2%,有效风量增加9.7%,电芯最高温度50.2℃,Z型铝排最高温度50.2℃。散热效果得到优化。

(2)原始设计模型中铝排与外壳间有间隙,其中充满空气,热阻较大。将外壳紧贴铝排,考察其对散热能力的影响。通过外壳散出的热量增加了23.2%。因外壳散热量在总散热量中占比少,约为3.8%,故对电芯总体温度影响不大,但迎风侧铝排温度变化明显,最高温度降约2℃。

(3)原始模型风道材料为导热系数0.45W/m-k的改进PP塑料,对比使用导热系数0.25W/m-k的普通PP塑料,电芯对外散热热阻增大,风道散热能力恶化,导致各零件温度约有2~3℃的温升。

3.2 电池舱散热仿真及结构优化

使用CREO建立电池舱几何模型,PACK几何做简化处理,避免模型过于复杂,仿真计算无法收敛。采用网格划分软件ICEM进行网格划分,采用CFD软件FLUENT对其流动传热特性进行数值仿真,分析电池舱内流体流动和传热特性。

为避免PACK箱内电池热量累积,对电池舱结构和PACK箱布置进行优化,使热量能够更顺畅地从电池舱散到周围环境中。优化工作主要集中在电池舱格栅结构、电池舱内部气流流动形式以及PACK箱布置方式等方面。

3.2.1 外界气流组织流场仿真计

假定流体为定常流体,流场为充分发展的湍流,忽略仿真过程中微小漩涡的影响

考虑仿真体系中的尺寸范围,整车仿真时分区生成结构化网格或者非结构化网格

①控制方程(动量方程):

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②湍流动力能方程和耗散能方能

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3.2.2 电池舱表面的散热格栅设置形式仿真

原车侧面电池舱的散热格栅均为水平格栅,电池舱内进风量较小。

侧面电池舱的散热格栅修改为竖直格栅,进风量增加了50%以上。

3.2.3 Pack箱排布与格栅形式的耦合匹配——构建风道

构建循环风道,侧格栅进风,风量增加明显,后舱平均温度约为38℃,较之前降低了约2℃。可以看到,进入后舱的自然风大部分从后部直接出去,仍有较多的热未完全散出。

3.3 电池、PACK箱、电池舱耦合传热机制的整车仿真

由上分析可看到,进入后舱的自然风大部分从后部直接出去,仍有较多的热未完全散出。设置扰流板,自靠近里侧风量增加,热量被带至后舱门处,强化了电池舱散热。电池舱里侧温度降低约2℃,降低了后舱电池高温报警的几率。

4 动力锂电池热管理基本设计准则总结

总结动力锂电池热管理(PACK箱结构优化和电池舱结构以及PACK箱布置优化)优化流程,分析电池热管理数值分析中存在的关键问题并形成相应解决方案;总结电池热管理优化基本方向,形成电池热管理基本设计准则,行成闭环,反馈指导初次设计。

5 结论

本体系基于传热学、流体力学、热力学和动力化学等基础理论,结合CFD数值仿真技术,分析动力锂电池发热原理、PACK箱内部流动传热特性以及电池舱内部结构和格栅等重要参数对动力锂电池热管理的影响,构建动力锂电池热管理仿真体系,量化结构、流量、温度等重要参数与热管理效果的关系,实现动力锂电池热管理优化,为锂电池PACK箱和电池舱的开发设计提供理论指导和技术支撑。

作者:李可 陈日豪 马富春

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