锂离子电池温度特性数值模拟

2015-10-15张馨予孙世梅杨孟乔

吉林建筑大学学报 2015年3期

张馨予孙世梅杨孟乔

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

锂离子电池作为一种新型的清洁、可再生的二次能源，具有工作电压高、能量密度大、质量轻等优点，在电子产品中得到了广泛应用，显示出强劲的发展趋势．在锂离子电池的设计管理中，其热管理是重要的研究方向．锂离子电池放电过程中会伴随较大的热流量，如不及时散热，易引起电池内的热量累积，影响电池的性能和安全．通过Comsol软件研究其热管系统设计中的电池温度分布、产热量及冷却方式有着重要的意义．

1 锂离子电池的工作原理

在电池处于正常的工作状态的时候，为了满足工作要求，电池中的金属锂以离子状态存在，他们能够在电池内部的正负极材料之间，既能够正常“嵌入”晶格中，又能够顺利地从这些晶体中“脱出”，在整个工作状态下，他们就需要以这种方式不断地“嵌入”，不断地“脱出”，而且这种嵌入和脱出，并不破坏正负极的晶体结构［1］．锂离子电池工作各电极反应为:

负极:

正极:

电池总反应:

2 热管理系统

人们对电池热管理系统(分为冷却系统和加热系统，这里指冷却系统)做了研究．电池热管理系统的基本目标分为:①限制电池的温度在允许的电池最高温度下工作;②降低电池的温度差异;③保持电池系统运行在最佳性能好寿命的温度范围内．空气冷却是一种利用空气的流动带走系统内热量的技术，和其他方法相比较，空冷结构相对简单、安全、维护也方便［2］．空气冷却方式又可以分为强制对流冷却和自然对流冷却．强制对流冷却指依靠风扇对空气做功，流动的风带走大量热量达到冷却效果．本文研究用强迫空气对流冷却法．

3 数值模拟研究

3．1 三维分析传热模型

圆柱型锂离子电池的三维稳态传热数学模型:

式中，t为电池的温度，℃;ρ为电池的密度，kg/m3;c为电池的比热容，J/(kg·℃);τ为时间，s;λ为电池的导热系数，W/(m·℃);r为电池的半径，m;φ为电池的圆周角，rad;z为电池的长度，m;Q为电池内部单位体积的热生成率，W/m3．

3．2 电池内部生成热量的确定

Bemadi等人认为电池放电时，电池内部热量的产生是均匀的，因此电池内部热生成率可以由公式得到:

式中，I为电池放电时的电流，A;V为电池总体积，m3;EOC为电池开路电压，V;E为电池工作电压，V;T为

电池内部温度，K;EOC-E=IR(R为电池的内阻)只在很小的范围内变化，取值等于-0．5MV/K．

3．3 空气冷却时电池的锂离子电池的能量方程

在模拟过程中，电池模拟区域的拉格朗日能量方程的具体表达式为:

式中，ρb，eff为锂离子电池的平均密度．其中电池单体的单位体积发热功率为:q=Qb/V

空气内的能量变化由热传导和对流传热两部分引起，能量方为:

式中，ρa，CPa，ka分别为空气的密度、比热容和热导率．

空气速度方程采用纳维-斯托克斯方程流体方程:

式中，ua，pa，ga表示空气的速度、压强和重力加速度．

4 数值模拟结果与分析

电池冷却系统要确保电池组在安全的温度范围工作，并且尽量将电池组的工作温度保持在最优的工作温度范围内．锂离子电池热管理系统的中电池最优的工作温度范围253K～338K．

4．1 锂离子电池温度的特性

4．1．1 环境温度的变化

从图1～图4中可以看出:环境温度越高则电池内部工作温度越高．其原因是，在较高温度下，电池内部电解液的物理活性强，电化学反应速率快，其温度放出就快，因此锂离子电池的放电容量有所增加，但也加速了电池正负极和电解液的老化速率．电池模拟区域的温度在同一时刻，中心处的温度要高于壁面的温度．即电池中心点沿径向方向，温度逐次降低．由于电池壁面与环境之间始终存在较大的温度梯度，所以热量可以持续不断地由电池壁面向环境传递，导致电池外壁面的温度低，而在电池中心处，温度梯度为0，不存在能量的传递作用，故电池中心处温度最高．

图1 环境温度为298．15K电池内部的温度分布情况

图2 环境温度为318．15K电池内部的温度分布情况

图3 环境温度为358．15K电池内部的温度分布情况

图4 环境温度为398．15K电池内部的温度分布情况

4．1．2 不同放电倍率对温升的影响

从图5可以看出，0．5C的放电倍率电池的中心温度为302．07K，壁面温度为301．77K．从图6可以看出，1C的放电倍率，电池的中心温度为310．80K，壁面温度为309．84K．放电倍率的依次增加可以，其中心温度和比壁面温度均上升较快较高．不同的放电倍率，电池表面温度随放电时间均不断升高，放电电流越大，温度升高的越快，而且在后期电池的温升出现急剧增加的趋势．主要原因是随着电流的增大，电池的发热功率增大，而电池与环境之间的散热量基本不变化，使得电池温度增加加快．电池内部存在较多的能量积累，这部分的热量便会导致电池区域的温度不断升高．

图5 0．5C的放电倍率

图6 1C的放电倍率

图7 强制对流和电池温度分布

4．2 锂离子强制对流冷却

一般来说，锂离子电池冷却系统要求将电池工作温度控制在300K～325K范围内．图7表示当环境温度为358．15K，强制对流和锂离子电池温度分布．从图7可知锂离子电池壁面散热后的温度要低于电池中心散热后的温度．其原因在于入口的位置以及形状导致气体进入模块之后，气体均匀的向各个方向流动，而电池中心处有着复杂的化学反应，直线流动气体的速度要明显高于向中心部的速度，电池的壁面换热效果较好，电池中心散热较差．图8是加入强制对流后，锂离子电池的温度分布情况．从图5～图8中可以看出温度最高的电池在流道的出口处，最低的在靠近入口处的位置．其原因在于模型的气体通道设计是串行流动方式，上游电池与气体换热时，气体的温度较低，换热效果较好，因此上游电池温度较低，而下游电池与气体换热时，随着流动，冷却空气被逐渐加热，对电池的冷却能力也相应降低，冷却效果相对较差，下游温度较高．

4．2．1 强制对流的温度对冷却效果的影响

当环境温度为358．15K，强制对流的速度为10cm/s，分析其锂离子电池内部的冷却效果温度分布情况(见图9，图10)．分别从图中可以看出，强制对流空气温度为293．15K时，电池的最高工作温度为321．75K;强制对流空气温度为313．15K时，电池的最高工作温度为333．86K．可以得出强制对流的空气温度越低其电池的工作温度越低，冷却效果越好．其原因是冷空气从上部进入，电池片间隙的空气流动温度较低，随着空气的流动，将电池的温度带走，使锂离子电池在合理的工作温度范围内．

4．3 强制对流的速度对冷却效果的影响

当环境温度为358．15K，强制对流的温度为293K．分析其锂离子电池内部的冷却效果温度分布情况见图11，图12．从图中分别可以看出，强制对流的速度为5cm/s，电池的最高工作温度为327．61K;强制对流的速度为10cm/s，电池的最高工作温度为321．75K．可以得出强制对流的空气流速越大其电池的工作温度越低，冷却效果越好;原因是冷空气从上部进入，电池片间隙的空气流速越高，电池中对应位置的温度就越低，对电池片的散热效果越好．