發(fā)布時(shí)間： 2021/11/18 發(fā)布人：蘇州卓納納米技術(shù)有限公司
20 世紀(jì)末期，環(huán)境污染以及能源短缺已經(jīng)成為了兩大全球性的議題。其中運(yùn)輸交通行業(yè)則是導(dǎo)致環(huán)境污染以及能源短缺的主要因素之一 。為解決相應(yīng)環(huán)境能源問(wèn)題，全球各國(guó)也紛紛重點(diǎn)研究新能源汽車(chē)，以期用新能源汽車(chē)逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)交通工具。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)中最核心的部件，動(dòng)力電池技術(shù)的好壞決定著電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程。鋰離子電池由于其優(yōu)良的充放電特性，比能量高，循環(huán)壽命長(zhǎng)和環(huán)保無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被各大造車(chē)廠商作為純電動(dòng)乘用車(chē)動(dòng)力電池的第一選擇。但是電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，溫度對(duì)于動(dòng)力電池性能影響尤為顯著，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響動(dòng)力電池運(yùn)行性能。本文將熱管技術(shù)應(yīng)用于某國(guó)產(chǎn) 21700 三元鋰離子電池模塊的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在不同環(huán)境溫度、不同放電倍率下進(jìn)行電池模塊散熱實(shí)驗(yàn)。
一、散熱實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
本文所組裝小型電池模塊由 12 個(gè)單體電池三并四串而成，如圖 1 所示。整個(gè)電池模塊的電壓為 16 V，容量為 12 A·h。熱管使用燒結(jié)粉銅管，整體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度 127 mm，寬為 8 mm，厚度為2 mm。內(nèi)補(bǔ)充液率 0.1%，啟動(dòng)溫度為 25 ℃，設(shè)置熱管冷凝段長(zhǎng)度 60 mm。集熱板使用普通紫銅板進(jìn)行代替，單體電池之間縫隙則使用硅脂等導(dǎo)熱性能良好的材料進(jìn)行填充，電池模塊熱電偶使用較為常見(jiàn)的 K 型熱電偶。參考模擬仿真結(jié)果，結(jié)果顯示電池模塊最高溫度和最低溫度出現(xiàn)在第 2 橫排的 4 節(jié)電池表面，因此將熱電偶貼附在電池模塊第 2 排 4 節(jié)電池表面，并在實(shí)驗(yàn)前對(duì)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定。在熱管冷凝段采用軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行吹風(fēng)散熱處理，額定風(fēng)量為 12 m3 /min，轉(zhuǎn)速為2 600 r/min。制作一個(gè) 200 mm×200 mm 的風(fēng)道，確保風(fēng)道風(fēng)速保持在 5 m/s。將熱管冷凝段插入風(fēng)道中，用密封膠填充縫隙。電池部分則進(jìn)行保溫絕熱處理，保證電池組不與外界進(jìn)行接觸，降低散失到外界環(huán)境的熱量。
電池散熱模塊放置在 25±5 ℃的標(biāo)準(zhǔn)充電環(huán)境中，利用鋰離子電池專(zhuān)用的充電器對(duì)電池模塊進(jìn)行充電。充電完成后，將電池散熱模塊靜置在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試環(huán)境中，使用安捷倫檢測(cè)電池表面溫度變化，待電池模塊表面溫度穩(wěn)定之后，打開(kāi)電子負(fù)載儀，設(shè)置不同放電電流，設(shè)置電池放電模式，啟動(dòng)電子負(fù)載儀，電池模塊恒流放電，直到截止電壓，放電過(guò)程結(jié)束。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，設(shè)置不同環(huán)境溫度以及不同放電倍率，繼續(xù)對(duì)電模塊放電。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，表 1—表 3 分別列出15，25，35 ℃下電池模塊不同放電倍率放電結(jié)束時(shí)的最高溫度及溫度差異。分析可知，在不同環(huán)境溫度下，電池結(jié)合熱管散熱模塊以不同放電倍率進(jìn)行放電測(cè)試。15 ℃下，電池散熱模塊 1C 倍率放電過(guò)程中，模塊最高溫度為 35.54 ℃，最大局部溫差 7.69 ℃；1.5 ℃倍率放電過(guò)程中，模塊最高溫度可達(dá)到42.00 ℃，最大局部溫差則有8.68 ℃；而在 2C 倍率放電過(guò)程中，模塊最高溫度可達(dá)到53.43 ℃，最大局部溫差 14.21 ℃。在高溫高放電倍率工況下，模塊最高溫度可達(dá)到 69.81 ℃，局部最大溫差也有 8.68 ℃，最高溫度超過(guò)電池的最佳溫度范圍，卻依然可以保證電池模塊溫度保持在 80 ℃以內(nèi)，確保電池模塊正常運(yùn)行。
1.2 不同環(huán)境溫度對(duì)電池散熱模塊溫度的影響
圖 2—圖 4 是在不同環(huán)境溫度下，電池散熱模塊分別以 1.0C，1.5C，2.0C 的放電倍率進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)電池散熱模塊表面最高溫度的變化。結(jié)果表明，環(huán)境溫度不同時(shí)，相同放電倍率下，電池散熱模塊的溫度變化趨勢(shì)也不相同。相同放電倍率下，環(huán)境溫度越低，電池散熱模塊放電完成后的溫升越大，溫度上升趨勢(shì)更為劇烈。根據(jù)鋰離子電池生熱機(jī)理，鋰離子電內(nèi)部電解液在低溫環(huán)境下黏度會(huì)變大，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降惡化，使得SEI膜阻抗變大[13]，電池內(nèi)阻變大，生熱速率變大，電池溫升也變大。
在低溫環(huán)境下，電池模塊放電初期生熱速率比在其他溫度環(huán)境下的生熱速率更大，溫升速度更快。溫度條件也會(huì)導(dǎo)致電池模塊容量變化，使得電池模塊放電時(shí)間不一致，環(huán)境溫度越低，電池模塊放電時(shí)間越短。
1.3 熱管冷凝段長(zhǎng)度對(duì)電池模塊散熱性能的影響
改變模塊中的熱管冷凝段長(zhǎng)度，熱管冷凝段長(zhǎng)度從 60 mm 改短為 40 mm，多出來(lái)的 20 mm冷凝段進(jìn)行保溫處理，其他測(cè)試條件不改變。具體測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)整理之后，與不同長(zhǎng)度的電池模塊進(jìn)行散熱性能對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比兩種不同熱管冷凝段長(zhǎng)度的電池模塊，在不同放電倍率過(guò)程中的溫度變化情況?？梢钥闯?，改變熱管冷凝段長(zhǎng)度對(duì)電池模塊表面溫度會(huì)產(chǎn)生一定影響。不同電池模塊放電倍率下，較短的熱管冷凝段長(zhǎng)度使得模塊最高溫度比較長(zhǎng)冷凝長(zhǎng)度的模塊要高2~4℃，在 1C 和 1.5C 較低倍率下，不同長(zhǎng)度的模塊最高溫度相差分別為 2.02，2.4 ℃；而在 2C高放電倍率下，兩者最高溫度相差有 3.05 ℃。冷凝段長(zhǎng)度增加，換熱面積變大，換熱量變大，因此在相同條件下，電池模塊最高溫度會(huì)降低。而熱管冷凝段長(zhǎng)度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致散熱能力惡化 [14]，甚至發(fā)生“干燒”現(xiàn)象，使得熱管傳熱效果惡化，電池模塊溫度得不到有效的散熱，因此在模塊高放電倍過(guò)程中，熱管長(zhǎng)度對(duì)電池模塊最高溫度產(chǎn)生的影響更為明顯。通過(guò)模擬軟件發(fā)現(xiàn)熱管冷凝段長(zhǎng)度為 50 mm 時(shí)，基本可以滿足動(dòng)力鋰離子電池組散熱要求 [15]。
二、 仿真模型建立
由于電池生熱情況較為復(fù)雜，為更為精確地反映電池生熱過(guò)程，對(duì)模型做出如下簡(jiǎn)化假設(shè)：電池內(nèi)部各部分材料分布均勻，材料物性保持不變 [15]；電池內(nèi)部生熱量分布均勻；忽略電池內(nèi)部電解液得對(duì)流換熱系數(shù)，電池表面對(duì)流換熱系數(shù)保持定值；忽略電池內(nèi)部輻射換熱 [16]。通過(guò)Fluent 進(jìn)行仿真模擬時(shí)，其中電池模塊、銅板、熱管以及導(dǎo)熱硅脂作為固體計(jì)算域，設(shè)置邊界條件為第 2 類(lèi)邊界條件，建立導(dǎo)熱微分方程。電池散熱的空氣流動(dòng)區(qū)域作為流體計(jì)算域，只包含對(duì)熱管冷凝段的吹風(fēng)散熱，F(xiàn)luent 設(shè)置時(shí)選擇流體湍流模型，選用的是標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型：
通過(guò) CATIA軟件進(jìn)行三維建模，如圖 5所示。
對(duì)建立的電池模塊結(jié)合熱管散熱的三維模型導(dǎo)入ICEM CFD 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)電池不同部分重新命名定義三維模型，定義模塊中各個(gè)不同的實(shí)體區(qū)域 body，劃分出固體計(jì)算域以及流體計(jì)算域，重新命名各部分 part，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢查。設(shè)置與實(shí)驗(yàn)相同的模擬條件后，定義電池材料參數(shù)，空氣流速設(shè)置為5 m/s，設(shè)置步長(zhǎng)為 1 s，迭代步數(shù) 20 步，每 100 s自動(dòng)保存溫度信息，分別在 15，25，35 ℃下模擬 1C，1.5C，2C 放電倍率下的電池模塊散熱。
三、 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析
由圖 6、圖 7 可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相似。不同放電倍率下實(shí)驗(yàn)溫度變化情況和模擬仿真得出的溫度變化情況基本吻合。1.0C 放電倍率下，模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果兩者之間的誤差沒(méi)超過(guò) 5 ℃，溫度變化趨勢(shì)基本符合；1.5C放電倍率下，實(shí)驗(yàn)溫度比模擬仿真的溫度更高。主要原因是模擬仿真結(jié)果更為理想化，材料參數(shù)設(shè)置基本為定值不變，而在實(shí)驗(yàn)中，電池模塊中的填充材料以及熱管性能參數(shù)會(huì)變化，填充材料填充不均勻也會(huì)導(dǎo)致電池模塊和集熱板間產(chǎn)生接觸熱阻，惡化傳熱，降低散熱效果，導(dǎo)致電池模塊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生差異；在 2.0C 放電情況下，模塊溫度主要還是受電池內(nèi)阻變化影響，在放電初期和末期會(huì)產(chǎn)生上下波動(dòng)，而在本文的模擬仿真中設(shè)置的電池生熱速率為固定值，因此實(shí)驗(yàn)和模擬會(huì)有一定誤差。由實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果的對(duì)比，本文所使用的電池模型基本可以反映實(shí)體電池放電過(guò)程中的溫度變化，使用該電池模型可以進(jìn)一步節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本，為實(shí)體電池測(cè)試提供理論基礎(chǔ)。
四、 結(jié)論
本文通過(guò)搭建電池散熱模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)試不同環(huán)境溫度，不同放電倍率以及不同熱管長(zhǎng)度對(duì)電池散熱模塊溫度變化的影響，并與仿真模擬所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：
（1）在不同環(huán)境溫度下，電池結(jié)合熱管散熱模塊以不同放電倍率進(jìn)行放電測(cè)試，電池模塊可正常運(yùn)行。
（2）相同放電倍率下，環(huán)境溫度越高，電池模塊溫升越高。
來(lái)源：知網(wǎng)、5G行業(yè)觀察公眾號(hào)
作者：劉業(yè)鳳 夏鑫鑫 吳琪
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