基于COMSOL锂离子动力电池包的边界结构优化

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关键词： 锂电池; 电池包; 散热; 温度场; 流场; COMSOL

中图分类号： TN13⁃34                         文献标识码： A                        文章編号： 1004⁃373X（2019）02⁃0112⁃05

Boundary structure optimization of lithium⁃ion power battery pack based on COMSOL

PAN Guoqiang1， GUO Wenliang1， HAN Nianchen2， XIE Gehui1， JIA Tao3

（1. School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

2. School of Chemistry and Chemical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China;

3. School of Electrical Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： For the new equipment taking lithium⁃ion batteries as power sources， it is necessary to pay attention to the heat dissipation problem during the design process of the battery pack. Therefore， an appropriate air flow field model is analyzed and selected by conducting reasonable simplification for the structure model of the common battery pack. The computer simulation model is established by using the COMSOL. The different boundary structures of battery packs and heat dissipation performance of batteries in different flow field environments are simulated. The post⁃processing and data analysis of the simulation results are conducted. It is found that， when the air velocities of the inlet are equal， the battery pack with the wavy concave convex boundary has the advantages of small temperature difference between monomer batteries， large average air flow velocity around batteries， and good overall heat dissipation effect during the forced convection heat dissipation process in comparison with the battery pack with the flat straight boundary.

Keywords： lithium⁃ion battery; battery pack; heat dissipation; temperature field; flow field; COMSOL

0  引  言

随着近年来环境危机的产生，新能源和低排放变成了人们关注的焦点，以蓄电池为动力来源的工业产品受到了各个行业的重视。其中锂离子电池以其电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性好、充电快速、环境污染小、安全性高等优点成为包括电动汽车在内的各种工业产品的储能元件，受到企业和科研单位的重视[1⁃3]。

一般的电子产品所用的锂离子电池，所受的负载有限，产生热量少，但是作为大型的工业机器人甚至民用和商用的电动汽车的动力来源，锂离子电池在工作中所承受的负载和热负荷大大增加。如果电池所产生的热量聚集使得电池温度分布不均，甚至使得工作环境温度超过电池的安全温度，不仅会对电池的性能和寿命产生影响，而且会引起爆炸等事故[4⁃5]。因此电池包良好、合理的通风结构设计在保证电池的安全性和可靠性方面至关重要[6]。本文针对前人研究中发现的电池包的边界对电池散热性能的影响，对锂离子电池包的边界结构展开优化设计并分析其散热效果[7]。

1  几何建模与简化

1.1  模型简化

锂离子电池的生热原理和结构较为复杂，分析散热之前有必要对电池单体的模型做合理的简化。本文旨在研究电池包结构对锂离子电池强制对流散热性能影响，故将电池直接简化为与其外形一致的体热源，电池的各个部分材料的物理化学性质视为一致，单体电池通过表面与强制对流的空气进行热交换，达到散热的目的。单体电池的强制对流散热模型简化示意图如图1所示。最后用体热源的平均温度表示电池的温度。

图1中：电池工作产生的热量[Qb]在电池内部通过热传导至电池表面，然后与电池包内的冷空气进行热量交换;[Qa]是通过气流的流动带走的电池工作时产生的热量，当散热过程到达一种稳态时，电池内的总热量[Q=Qb-Qa]，即达到锂电池强制对流散热的目的;[Tb]为电池体温度;[ta]和[Ta]为流动空气的温度。

1.2  几何模型

根据前人研究结论所取得的电池包中单体电池的最佳排列方式，对电池包的设计方案进行计算机建模如图2所示。

每个单体电池的尺寸参照常见的18650锂电池，直径为18 mm，高度65 mm，16个单体电池等间距3 mm交叉排列，上下边界距电池距离为0，两侧壁面与电池间距为3 mm，入口距第一排电池30 mm，出口[7]距第二排电池120 mm。

2  流场模型和边界条件

2.1  流场模型

单体电池交叉排时流体受到电池的阻碍，流动阻碍相对较大，气流的紊乱程度增大，可增加电池与冷空气的换热速率。对于采用强制对流换热的电池包来说，第一排电池率先迎风，空气流体在电池外部横向掠过并在后面产生涡流。之后的气流被之前所产生的涡流干扰，流场中流体的流动状态变得比较复杂。由于本研究的空气流速设置为5 m/s，温度场的温度在300 K左右，第一排电池周围的流体的雷诺数Re>2 300，为湍流工况，之后随着Re的增大，各单体电池之间气流速度以及湍流强度进一步增强，气流的紊乱程度也随之增强，电池之间的空气流动的工况也越来越复杂;在Re≤105时，可以认为流场为混合工况，即夹杂着湍流的层流[8]。由于流体的不同工况会导致散热效率的差异，为了提高研究的可靠性，分别在层流模型、湍流[k-ε]模型、湍流低雷诺数[k-ε]模型三种流场中分别进行电池包的强制对流散热仿真，得到在三种流场环境中相同电池包内单体电池的温度分布情况如图3所示。

湍流低雷诺数[k-ε]模型散热性能介于标准湍流模型和层流模型之间，进一步说明了此流场是一种夹杂层流和湍流的混合工况。由于低雷诺数的湍流模型对于解决混合工况的低速流动具有较好的适应性[3]。故本文对于散热模型的其他物理量的分析和仿真都在低雷诺数[k-ε]湍流流场下进行仿真分析，关于[k-ε]的运输方程为[7]：

[∂ρk∂t+∂ρkui∂xi=∂∂xjμ+μiσk∂k∂xi+Gk-                                         ρε-2μ∂k12∂n2] （1）

[∂ρk∂t+∂ρεui∂xi=∂∂xjμ+μtσε∂ε∂xj+C1εεkGkf1-C2ερε2kf2+2μμtρ∂2u∂n22] （2）

式中：[ρ]为流体密度;[u]为壁面方向流速;[k]为湍动能;[n]为壁面法向坐标;[ε]为耗散率;[t]为时间;[μt]为湍动黏度;[Gk]为速度梯度引起的湍动能产生项。

2.2  控制方程

体热源的固体控制方程[7]为：

[∂θ∂t=λρc∂2θ∂x2+∂2θ∂y2+∂2θ∂z2+Qρc] （3）

式中：[θ]為温度;[λ]为热导率;[c]为比热容;[Q]为固体内部生成热。流体控制方程为[9]连续性方程：

[div u=∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0] （4）

动量方程为：

[∂u∂t+∂u2∂x+∂uv∂y+∂uw∂z=μρ⋅∇2u-1ρ·∂P∂x] （5）

[∂v∂t+∂uv∂x+∂v2∂y+∂vw∂z=μρ⋅∇2v-1ρ·∂P∂y] （6）

[∂w∂t+∂wu∂x+∂vw∂y+∂w2∂z=μρ⋅∇2w-1ρ·∂P∂z] （7）

能量方程为：

[∂T∂t+div（uT）=divλρcp∇T+STρ] （8）

式中：[u，v，w]为流体流速在三个坐标轴的方向分量;[u]为流体的速度矢量;[P]为流体的压强;[div]为对[]求散度;[ρ]为流体密度;[μ]为流体的动力黏度;[ST]为由于黏性作用机械能转化为热能的部分。

2.3  边界条件

本文中单体电池以体热源的形式加载在仿真模型之上。对于锂离子电池来说，其主要由正极材料、负极材料、电解质、隔膜等组成[10]。其中正极材料的质量占比最高，所以在仿真模型中电池的材料属性设置为动力电池广泛应用的正极材料LiFePO4（即COMSOL内置的LFP Electrode），其导热系数为1 W/（m·K），平均密度为3 600 kg/m3，恒压热容881 J/（kg·K）。假设该电池发热稳定，在其工作的特定工况下单体发热功率为1.5 W，对于作为体热源的全部电池来说单位体积的电池的发热功率为90 733 W/m3。流体边界属性如表1所示。

3  仿真分析

通过COMSOL求解锂离子电池包的散热模型，得到电池包模块的温度场、空气流场分布（包括速度，压力）。主要从不同的电池包边界结构角度，通过分析边界结构对温度场和流场分布的影响，比较电池模型上的平均温度，对比不同边界结构的电池包的散热性能。为了方便研究，对电池单体进行编号，编号示意图如图4所示。

3.1  电池包边界结构对强制对流流场的影响

平直边界空气流场速度大小云图如图5所示。当边界截面为平直结构时，距离边界最近的四块单体电池（4，5，12，13号），由于边界结构相对平直，电池外形对流体的扰动效应未充分体现，空气沿着平直边界高速流过，使得大量的气流从电池包的边界处通过，进而导致其他的单体电池周围的空气流速相对较低且各个体差异较大[11]。尤其使得1，8，9，16号电池表面空气流动性相对较小，周围空气带走的热量较少[12]。鼓包边界流场速度大小云图如图6所示。当电池包的边界为鼓包结构时，鼓包边界对空气有一定的导流作用，空气流过时与各个单体电池均充分接触，通过各单体电池的空气的流速相对较快，电池个体之间差异相对较小。

由图7可知，平直边界的电池包内空气脱离电池之后紊乱程度较高，不能将热量带出電池包之外，加剧了热量的聚集。而空气在鼓包边界整流导引的作用下使得空气脱离电池之后，气流相对平顺，可将电池包多余热量迅速地带到外界，加强了鼓包结构边界电池包的散热性能。鼓包边界模型空气流线图如图8所示。

为了更加清楚地反映电池包边界结构对单体电池周围空气流速度的影响，取距离电池表面1 mm处空气的平均流速，绘制线图，如图9所示。

3.2  电池包边界结构对温度场的影响

由于采用的是强制对流的散热方式，各单体电池的散热性能和通过其表面的空气流动情况有着十分密切的联系，两种边界结构下的电池温度场云图如图10、图11所示。

当电池采用交叉排列，电池包的边界处每一列均存在半个空位，平直边界结构本身会使得大量空气从电池包的两侧高速流过，加上每列电池因为交叉排列产生空缺，使得平直边界的电池包内的各单体电池之间的散热效率存在较大的差异，而将边界的结构改为可以填充每列空缺的鼓包形状时，各电池的体平均温度线图如图12所示。

由于鼓包形状的边界很好地解决了交叉排列产生的空缺问题，以及鼓包形状的边界与电池外形相契合，有利于通过气流产生比较强烈的扰动气流，使得对流换热的效率更高。另外各个电池与空气的接触差异性基本消除，由温度曲线图可以看出，电池包在平直边界的情况下，各单体电池之间的散热效果存在较大的差异;在鼓包边界条件下，各单体电池之间的温度差异基本消除了，强制对流的散热效果要优于平直边界的电池包。

4  结  论

本文通过分析锂离子电池包强制对流过程中的流场和温度场，对比传统的平直结构的边界和鼓包结构的边界对散热性能的影响。通过分析可知带有鼓包边界结构的电池包在强制对流散热过程中相比平直边界的电池包有以下优点：

1） 气流在鼓包的整流导引作用下，在通过电池区域扰动剧烈且均匀，换热效率高，气流脱离电池之后流线较为平顺，可以快速将热量带到电池包外;

2） 通过单体电池周围的流体平均流速差异相对较小，各单体电池的温差较小;

3） 各单体电池散热后的温度整体低于平直边界结构的电池包。

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