鋰離子電池組結構熱仿真

摘要: 鋰離子電池組的熱特性對于電池組的運行維護具有重要影響。將單體電池熱模型簡化為均勻發熱體，減少仿真流程中的計算量，針對鋰離子電池組進行熱仿真分析，分析其結構的合理性，并通過實驗驗證其準確性。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，利用簡化的電池單體熱模型，選擇風冷作為冷卻方式，通過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行求解，分析電池組內部流場分布、電池組運行時的溫度數據，最后通過樣機實驗測試驗證仿真結果的準確性。該電池組在0.5 C恒流充放電條件下，電池模擬溫度與實驗測試溫度變化趨勢一致，電池組模擬最高溫度與實驗測試溫度誤差0.9 ℃，電池模擬溫差與實驗測試溫差誤差0.2 ℃。

關鍵詞: CFD仿真；鋰離子電池組；流場；溫度場

       儲能系統是能源互聯網中的能源路由器，可將大量可再生能源發電系統大規模接入電網中，直接關系到可再生能源的消納與電能的靈活高效變換[1]。鋰離子電池儲能系統是目前國內外示范應用最多的儲能系統類型之一。但是在實際應用中，出于系統運行管理及日常維護的考慮，不僅要進行有效的電管理[2,3,4]，也要重視其熱管理[5]。環境溫度的波動對鋰離子電池容量及一致性有較大影響，為延長儲能系統使用壽命，要保證電池處在溫度較為一致的環境中。當電池模組內溫差達到5 ℃時，電池模組的壽命比溫差控制在2 ℃以內的模組壽命減少30%。

       對于電池組的熱管理，往往首先采用建立電池組熱模型的方式對電池組發熱量進行仿真計算，然后組裝樣機，根據實測結果修正并優化熱模型，進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，電池單體熱模型目前有電-熱耦合模型[6,7,8]、電化學-熱耦合模型[9,10]、熱濫用模型等，這些模型能夠較為準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展到電池組的熱模型仿真時，由于電池數量多，結構復雜且要兼顧冷卻介質，復雜的單體模型將使電池組的熱仿真計算變得困難，難以快速、準確地得到電池組熱仿真結果。

       本文將單體電池熱模型簡化為均勻發熱體，減少仿真流程中的計算量，針對鋰離子電池組進行熱仿真分析，分析其結構的合理性，并通過實驗驗證其準確性。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，其次利用簡化的電池單體熱模型，選擇風冷作為冷卻方式，通過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行求解，分析電池組內部流場分布、電池組運行時的溫度數據，最后通過樣機實驗測試驗證仿真結果的準確性。

1 電池熱特性參數測量

1.1　電池比熱容測量

       測試電池為國內某廠家生產的鋰離子電池。選用英國THT公司的絕熱加速量熱儀ARC對電池進行電池比熱容測試，如圖1所示，測試溫度區間22～57 ℃。

1.2 熱導率測量

         選用Hot Disk公司的TP500s型號的熱導率測試儀對電池熱導率進行測量，如圖2所示。

1.3 電池充放電發熱量測量

       選用英國THT公司的絕熱加速量熱儀ARC對電池進行0.5 C恒流充放電發熱量測試。測試條件：①0.5 C恒流充電發熱量：充電電壓2.5～3.65 V；②0.5 C恒流放電發熱量：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

建模及設計采用SolidWorks軟件，CFD軟件選用STAR-CCM+軟件。

2.2 建立仿真模型

       仿真對象為國內某電池廠生產的36塊鋰離子電池組成的3并12串組成電池組，冷卻方式設定為風冷。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，兩側夾板將電池組固定在電池組內。電池組前方矩形拉伸是進風口，電池組后方2個圓柱體拉伸為風扇的仿真模型。由于該結構是對稱結構，為了減少計算量，仿真過程中建立半模型。

2.3 邊界條件設定及計算簡化假設

（1）　邊界條件設定

      計算域中設定了兩種域，一種是流體域，另一種為電池所在的固體域。流體域為理想空氣，溫度設定為26 ℃，出口采用壓力邊界。其余氣固耦合面作為固壁處理。

（2）　仿真簡化

      假設進氣口是均勻進氣；電池簡化為均勻發熱體；電池靠近擋板一側認為是絕熱的。

2.4 系統特性曲線及風扇工作點的確定

       通過仿真模型計算系統的壓力損失，設置入口流速0.2～2 m/s。并通過該曲線確定風扇F1的工作點，其中F1風扇額定功率18.2 W。

2.5 電池組工況模擬

       圖5是電池編號及溫度測量點示意圖，如圖所示在電池表面中心位置布置監控點，編號依次為T1～T18。模擬中以發熱量測試實驗的充放電條件為工況，仿真計算電池組流場及溫度場并記錄電池表面溫度隨時間變化。

2.6 鋰離子電池熱特性參數及模擬結果分析

2.6.1 電池熱特性參數

         圖6是電池0.5 C發熱量與充電曲線示意圖，由ARC測試的發熱量曲線組合為兩個循環內的電池發熱量曲線，電池的發熱量隨充放電變化呈規律性變化。電池的比熱容1.033 J/（K·g），熱導率1.399 W/（m·K）。

2.6.2　系統特性曲線及風扇工作點

       圖7是風扇特性曲線與系統特性曲線示意圖，特性曲線與風扇特性曲線的交點為各備選風扇的工作點，對應仿真模型入口流速0.324 m/s，工作點流量0.033 m3/s，工作壓力16.15 Pa。

2.6.3　池組仿真結果分析

       圖8為電池組溫度場及流場模擬圖，此時電池組經過一個充放電循環，處于靜置狀態，前排電池溫度約28.9 ℃，后排電池溫度約34.2 ℃。空氣從進氣口進入流經電池間縫隙及電池周圍空隙，由電池后側出口流出。

       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律性變化。充電階段電池組溫度開始上升，電池表面溫度開始分化為兩組，靠近進風口的第一排電池溫度明顯較低，其余兩排電池溫度較高。充電結束后電池組溫度開始下降，電池組溫度分化為三組。靜置結束后，電池組進入放電階段，電池組溫度持續升高，監控點溫度變化規律一致，但監控點間的溫度差異進一步變大。至放電結束，電池組監控點的最高溫度34.2 ℃，溫差5.3 ℃。

3 實驗驗證

3.1 電池組溫度測試

       選用美國Bitrode公司生產的FTV4-300-100對電池組進行恒流充放電測試。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，放電結束；流程結束。

       選用日本HIOKI公司生產的HIOKI8860-50型記錄儀測量并記錄電池表面溫度，選用美國歐米茄公司生產的K型熱電偶，測試溫度點為模擬溫度點T1、T6、T7、T12、T13以及T18對應位置。

       選用重慶四達實驗設備有限公司生產的SDJ/W580多用途高低溫箱為電池組測試提供恒定的環境溫度，測試溫度設置為26 ℃。

3.2 使用F1風扇的電池組實測溫度分析

       圖10是電池組實測溫度示意圖，電池組在運行過程中最高溫度35.1 ℃，電池組內最大溫差5.1 ℃。實測溫度與模擬溫度有相同的溫度變化趨勢，前排電池溫度高于后排電池溫度，中間電池溫度高于兩側電池溫度，實測值與模擬值近似，檢驗了模擬的準確性并驗證了設計的合理性。由上述結果可以看出，該仿真過程準確體現了該電池組內的溫度場及流場分布情況。

4 結 論

       通過CFD軟件對電池組進行仿真，分析了電池組的流場與溫度場分布的情況，并通過實驗測試驗證了仿真結果的準確性。電池組在0.5 C恒流充放電工況下一個循環內，電池組監控點的模擬最高溫度34.2 ℃，模擬溫差5.3 ℃。電池模擬溫度與實驗測試溫度變化趨勢一致，電池組模擬最高溫度與實驗測試溫度誤差0.9 ℃，電池模擬溫差與實驗測試溫差誤差0.2 ℃。

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