鋰離子電池組結(jié)構(gòu)熱仿真

摘要: 鋰離子電池組的熱特性對(duì)于電池組的運(yùn)行維護(hù)具有重要影響。將單體電池?zé)崮Ｐ秃?jiǎn)化為均勻發(fā)熱體，減少仿真流程中的計(jì)算量，針對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行熱仿真分析，分析其結(jié)構(gòu)的合理性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。利用絕熱加速量熱儀（accelerating rate calorimeter，ARC）采集鋰離子電池的熱特性參數(shù)，利用簡(jiǎn)化的電池單體熱模型，選擇風(fēng)冷作為冷卻方式，通過(guò)CFD（computational fluid dynamics）以及CAD（computer aided design）軟件建立鋰離子電池組的熱模型并進(jìn)行求解，分析電池組內(nèi)部流場(chǎng)分布、電池組運(yùn)行時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，最后通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。該電池組在0.5 C恒流充放電條件下，電池模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度變化趨勢(shì)一致，電池組模擬最高溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度誤差0.9 ℃，電池模擬溫差與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫差誤差0.2 ℃。

關(guān)鍵詞: CFD仿真；鋰離子電池組；流場(chǎng)；溫度場(chǎng)

       儲(chǔ)能系統(tǒng)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的能源路由器，可將大量可再生能源發(fā)電系統(tǒng)大規(guī)模接入電網(wǎng)中，直接關(guān)系到可再生能源的消納與電能的靈活高效變換[1]。鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)外示范應(yīng)用最多的儲(chǔ)能系統(tǒng)類型之一。但是在實(shí)際應(yīng)用中，出于系統(tǒng)運(yùn)行管理及日常維護(hù)的考慮，不僅要進(jìn)行有效的電管理[2,3,4]，也要重視其熱管理[5]。環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)鋰離子電池容量及一致性有較大影響，為延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命，要保證電池處在溫度較為一致的環(huán)境中。當(dāng)電池模組內(nèi)溫差達(dá)到5 ℃時(shí)，電池模組的壽命比溫差控制在2 ℃以內(nèi)的模組壽命減少30%。

       對(duì)于電池組的熱管理，往往首先采用建立電池組熱模型的方式對(duì)電池組發(fā)熱量進(jìn)行仿真計(jì)算，然后組裝樣機(jī)，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果修正并優(yōu)化熱模型，進(jìn)而制定電池組熱管理策略。電池組熱模型的建立，是以電池單體的熱模型為基礎(chǔ)，電池單體熱模型目前有電-熱耦合模型[6,7,8]、電化學(xué)-熱耦合模型[9,10]、熱濫用模型等，這些模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬鋰離子電池單體的熱特性，但是從單體的熱模型擴(kuò)展到電池組的熱模型仿真時(shí)，由于電池?cái)?shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且要兼顧冷卻介質(zhì)，復(fù)雜的單體模型將使電池組的熱仿真計(jì)算變得困難，難以快速、準(zhǔn)確地得到電池組熱仿真結(jié)果。

       本文將單體電池?zé)崮Ｐ秃?jiǎn)化為均勻發(fā)熱體，減少仿真流程中的計(jì)算量，針對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行熱仿真分析，分析其結(jié)構(gòu)的合理性，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。首先利用絕熱加速量熱儀（accelerating rate calorimeter，ARC）采集鋰離子電池的熱特性參數(shù)，其次利用簡(jiǎn)化的電池單體熱模型，選擇風(fēng)冷作為冷卻方式，通過(guò)CFD（computational fluid dynamics）以及CAD（computer aided design）軟件建立鋰離子電池組的熱模型并進(jìn)行求解，分析電池組內(nèi)部流場(chǎng)分布、電池組運(yùn)行時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，最后通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 電池?zé)崽匦詤?shù)測(cè)量

1.1　電池比熱容測(cè)量

       測(cè)試電池為國(guó)內(nèi)某廠家生產(chǎn)的鋰離子電池。選用英國(guó)THT公司的絕熱加速量熱儀ARC對(duì)電池進(jìn)行電池比熱容測(cè)試，如圖1所示，測(cè)試溫度區(qū)間22～57 ℃。

1.2 熱導(dǎo)率測(cè)量

         選用Hot Disk公司的TP500s型號(hào)的熱導(dǎo)率測(cè)試儀對(duì)電池?zé)釋?dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。

1.3 電池充放電發(fā)熱量測(cè)量

       選用英國(guó)THT公司的絕熱加速量熱儀ARC對(duì)電池進(jìn)行0.5 C恒流充放電發(fā)熱量測(cè)試。測(cè)試條件：①0.5 C恒流充電發(fā)熱量：充電電壓2.5～3.65 V；②0.5 C恒流放電發(fā)熱量：放電電壓3.65～2.5 V。

2 鋰離子電池組熱模擬仿真

2.1軟件選用

建模及設(shè)計(jì)采用SolidWorks軟件，CFD軟件選用STAR-CCM+軟件。

2.2 建立仿真模型

       仿真對(duì)象為國(guó)內(nèi)某電池廠生產(chǎn)的36塊鋰離子電池組成的3并12串組成電池組，冷卻方式設(shè)定為風(fēng)冷。圖3與圖4是電池模型與仿真模型示意圖，電池并列三排依次排列，兩側(cè)夾板將電池組固定在電池組內(nèi)。電池組前方矩形拉伸是進(jìn)風(fēng)口，電池組后方2個(gè)圓柱體拉伸為風(fēng)扇的仿真模型。由于該結(jié)構(gòu)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，仿真過(guò)程中建立半模型。

2.3 邊界條件設(shè)定及計(jì)算簡(jiǎn)化假設(shè)

（1）　邊界條件設(shè)定

      計(jì)算域中設(shè)定了兩種域，一種是流體域，另一種為電池所在的固體域。流體域?yàn)槔硐肟諝猓瑴囟仍O(shè)定為26 ℃，出口采用壓力邊界。其余氣固耦合面作為固壁處理。

（2）　仿真簡(jiǎn)化

      假設(shè)進(jìn)氣口是均勻進(jìn)氣；電池簡(jiǎn)化為均勻發(fā)熱體；電池靠近擋板一側(cè)認(rèn)為是絕熱的。

2.4 系統(tǒng)特性曲線及風(fēng)扇工作點(diǎn)的確定

       通過(guò)仿真模型計(jì)算系統(tǒng)的壓力損失，設(shè)置入口流速0.2～2 m/s。并通過(guò)該曲線確定風(fēng)扇F1的工作點(diǎn)，其中F1風(fēng)扇額定功率18.2 W。

2.5 電池組工況模擬

       圖5是電池編號(hào)及溫度測(cè)量點(diǎn)示意圖，如圖所示在電池表面中心位置布置監(jiān)控點(diǎn)，編號(hào)依次為T(mén)1～T18。模擬中以發(fā)熱量測(cè)試實(shí)驗(yàn)的充放電條件為工況，仿真計(jì)算電池組流場(chǎng)及溫度場(chǎng)并記錄電池表面溫度隨時(shí)間變化。

2.6 鋰離子電池?zé)崽匦詤?shù)及模擬結(jié)果分析

2.6.1 電池?zé)崽匦詤?shù)

         圖6是電池0.5 C發(fā)熱量與充電曲線示意圖，由ARC測(cè)試的發(fā)熱量曲線組合為兩個(gè)循環(huán)內(nèi)的電池發(fā)熱量曲線，電池的發(fā)熱量隨充放電變化呈規(guī)律性變化。電池的比熱容1.033 J/（K·g），熱導(dǎo)率1.399 W/（m·K）。

2.6.2　系統(tǒng)特性曲線及風(fēng)扇工作點(diǎn)

       圖7是風(fēng)扇特性曲線與系統(tǒng)特性曲線示意圖，特性曲線與風(fēng)扇特性曲線的交點(diǎn)為各備選風(fēng)扇的工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)仿真模型入口流速0.324 m/s，工作點(diǎn)流量0.033 m3/s，工作壓力16.15 Pa。

2.6.3　池組仿真結(jié)果分析

       圖8為電池組溫度場(chǎng)及流場(chǎng)模擬圖，此時(shí)電池組經(jīng)過(guò)一個(gè)充放電循環(huán)，處于靜置狀態(tài)，前排電池溫度約28.9 ℃，后排電池溫度約34.2 ℃。空氣從進(jìn)氣口進(jìn)入流經(jīng)電池間縫隙及電池周圍空隙，由電池后側(cè)出口流出。

       圖9是電池組模擬溫度曲線，電池在表面溫度隨電池組充放電呈規(guī)律性變化。充電階段電池組溫度開(kāi)始上升，電池表面溫度開(kāi)始分化為兩組，靠近進(jìn)風(fēng)口的第一排電池溫度明顯較低，其余兩排電池溫度較高。充電結(jié)束后電池組溫度開(kāi)始下降，電池組溫度分化為三組。靜置結(jié)束后，電池組進(jìn)入放電階段，電池組溫度持續(xù)升高，監(jiān)控點(diǎn)溫度變化規(guī)律一致，但監(jiān)控點(diǎn)間的溫度差異進(jìn)一步變大。至放電結(jié)束，電池組監(jiān)控點(diǎn)的最高溫度34.2 ℃，溫差5.3 ℃。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電池組溫度測(cè)試

       選用美國(guó)Bitrode公司生產(chǎn)的FTV4-300-100對(duì)電池組進(jìn)行恒流充放電測(cè)試。充放電條件為：①以0.5 C電流恒流充電至單體電壓3.65 V，充電結(jié)束；②靜置10 min；③以0.5 C恒流放電至單體電壓2.5 V，放電結(jié)束；流程結(jié)束。

       選用日本HIOKI公司生產(chǎn)的HIOKI8860-50型記錄儀測(cè)量并記錄電池表面溫度，選用美國(guó)歐米茄公司生產(chǎn)的K型熱電偶，測(cè)試溫度點(diǎn)為模擬溫度點(diǎn)T1、T6、T7、T12、T13以及T18對(duì)應(yīng)位置。

       選用重慶四達(dá)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的SDJ/W580多用途高低溫箱為電池組測(cè)試提供恒定的環(huán)境溫度，測(cè)試溫度設(shè)置為26 ℃。

3.2 使用F1風(fēng)扇的電池組實(shí)測(cè)溫度分析

       圖10是電池組實(shí)測(cè)溫度示意圖，電池組在運(yùn)行過(guò)程中最高溫度35.1 ℃，電池組內(nèi)最大溫差5.1 ℃。實(shí)測(cè)溫度與模擬溫度有相同的溫度變化趨勢(shì)，前排電池溫度高于后排電池溫度，中間電池溫度高于兩側(cè)電池溫度，實(shí)測(cè)值與模擬值近似，檢驗(yàn)了模擬的準(zhǔn)確性并驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。由上述結(jié)果可以看出，該仿真過(guò)程準(zhǔn)確體現(xiàn)了該電池組內(nèi)的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)分布情況。

4 結(jié) 論

       通過(guò)CFD軟件對(duì)電池組進(jìn)行仿真，分析了電池組的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布的情況，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。電池組在0.5 C恒流充放電工況下一個(gè)循環(huán)內(nèi)，電池組監(jiān)控點(diǎn)的模擬最高溫度34.2 ℃，模擬溫差5.3 ℃。電池模擬溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度變化趨勢(shì)一致，電池組模擬最高溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度誤差0.9 ℃，電池模擬溫差與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫差誤差0.2 ℃。

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