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基于经验热源模型锂离子电池的高效空冷策略的研究

Tao Wang , K.J. Tseng , Jiyun Zhao

亮点:

开发了一种用于电池热模拟的经验热源模型。

研究了模块热特性的不同空冷策略。

研究了不同放电率对模块热响应的影响。

研究了环境温度对模块热行为的影响。

研究了不同工况下的最高温度。

关键词：

经验热源模型

三维计算流体

动力学（CFD）方法

保温实验

瞬态热行为

最佳冷却策略

故障预测

摘要：

热建模是锂电池系统热管理中的关键问题，需要仔细研究冷却策略，以确保电池的运行温度在一个较窄的最佳范围内，并为冷却系统提供经济有效的节能解决方案。文章回顾和总结了过去的冷却方法，特别是强制风冷，并介绍了一种经验热源模型，可广泛应用于电池模块/组件热模型。在经验热源模型的开发中，采用三维计算流体动力学（CFD）方法，并进行绝热实验以提供关键参数。然后基于经验热源模型开发具有强制空气冷却的5times;5电池模块的瞬态热模型。对不同空冷条件下的电池模块的热行为，放电速率和环境温度进行了表征和总结。模拟和比较各种冷却策略以获得最佳冷却方法。此外，从瞬态仿真场景预测电池故障情况。定量描述了放电过程中的温度分布和变化，发现强制风冷的环境温度上限为35℃，当环境温度低于20℃时，不需要强制风冷。

介绍：

锂离子电池的热管理至关重要，并且仍然是一个挑战，因为锂离子电池中过多的局部温度升高会导致循环寿命缩短并可能导致热量单个电池或整个电池模块的失控特别是在单元密集的电池模块中，电池性能的许多方面都受到它们的强烈影响工作温度，包括功率和能量的性能，可靠性，往返效率，循环寿命和成本。安全而长期稳定性要求限制了其应用大功率设备中的锂离子电池主要技术障碍是0度-40度的温度限制除了不均匀的细胞温度分布外电池模块。 因此，精心设计的电池热管理系统对于维持适当的电池温度条件和提高锂离子电池的稳定性和安全性至关重要。

基于不同冷却/加热介质的使用，电池热管理系统可分为几种类型：空气冷却/加热系统;液体冷却/加热系统;相变材料;以上系统的组合。由于简单的设备要求和可靠的系统操作，空气是最常用的冷却介质。通过简单地引导流过模块的空气，可以轻松实现冷却效果。然而，在极端条件下，特别是在高放电率下，空气冷却是不合适的。液体冷却可以以不同的方式实现，例如通过每个模块周围的离散管，在模块周围有一个护套，将模块浸入介电流体中直接接触，或将模块放置在液体冷却板（散热器）上。虽然液体冷却比空气冷却更复杂，但是在空气冷却不合适的情况下更有效。近年来，Hallaj和Selman首次提出的使用相变材料（PCM）进行电池热管理的新颖解决方案引起了越来越多的关注。放电期间产生的热量作为潜热存储在PCM中，并在放松期间传递到电池模块以保持其温度稳定。

尽管液体冷却和PCM冷却具有其优点，但是由于考虑到制造成本，寄生能量损失，完整电池系统重量和布局限制，最广泛应用的电池模块冷却方法是强制空气冷却。此外，在产生潜在危险气体的特定电池系统中需要通风。许多研究人员开展了相关工作：徐研究了48芯电池组不同气流管道模式的散热性能，以提供最佳的气流管道模式。Giuliano设计了一种采用金属泡沫热交换器板的风冷热管理系统，并测试了Altairnano 50 Ah电池的冷却能力。 Park通过数值计算引入了用于冷却电池系统的气流配置设计，其中通过采用热阻模型分析冷却性能。Fan检查了间隙间距和空气流量对现有风冷电池模块的冷却效果的影响。Mahamud提出了一种新的电池热管理方法，该方法使用往复式气流，具有二维计算流体动力学（CFD）和用于电池单元的集总电容热模型。Zhu研究了电动汽车电池组的热管理系统，分析了丰田RAV-4电动汽车的冷却结构设计。 Karimi提出了基于分布式强制对流的棱柱形电池组的冷却策略，以实现电池单元在温度和电压分布方面的均匀性。此外，制造商还为工业应用开发了冷却系统。

现有的空气冷却电池模型的工作一直专注于数字建模复杂，具有针对特定商用电池组的电化学和数学计算。迫切需要一种通用且直接的模型，为研究人员和制造商提供一种明确的方法来预测不同类型电池模块/电池组在不同工作条件下的热行为。在实际应用中，冷却故障偶尔会发生在电池模块/组件中，例如冷却风扇的损坏，在这种情况下电池的热性能是制定维护计划的必要基础。不幸的是，动态热模型能够模拟这种情况还没有开发出来。虽然到目前为止没有太多的研究，但由于其直观和准确的结果，三维计算流体动力学（CFD）方法在电池模块/包瞬态热学研究领域中处于上升趋势。在本文中，将开发一种三维CFD方法来解决上述问题。此外，本文还将在保温实验的基础上，引入一种可以普遍应用的经验热源模型。使用商业软件Ansys Icepak开发了三维瞬态CFD方法。本文选择了一个5 * 5排列的电池模块，该模块根据我们之前的研究显示了不同模块结构中的最佳热性能，以进行调查。研究了不同工况下电池的热性能，以及不同冷却策略的有效性。还进行了电池故障预测。确定适当的空气冷却环境温度范围和不同条件下的最佳冷却策略。预计这项工作对锂离子电池系统的设计和实时控制很有用。

锂离子电池模块/包装的经验热源模型

锂离子电池热行为的建模可分为三类：数学模型，实验模型和等效电路模型。作为最常用的方法，已经开发了各种数学模型，其中热模型与第一原理电化学模型耦合或甚至更进一步，结合了反应电流和SOC的局部差异。同时，在等效电路模型中，电池的电压和温度响应表示为电路。它们是具有相对较少参数的集总模型，尤其是用于车辆电源管理控制和电池管理系统开发的目的。基于实验的方法至今尚未广泛应用于电池热模拟中。然而，其巨大的优势在工业应用中尤其受到越来越多的关注。避免了建模中的繁琐计算，并且由于基于实验的数据，结果比理论算法更可靠。我们将在本文中介绍的经验热源模型属于基于实验的模型，适用于各种类型的电池模块/包。

2.1等效电池参数估算方法

可以通过堆叠交替的电极层（典型地用于高速率能力的棱柱形电池）或通过将长条形电极卷绕成“果冻卷”构造（典型地用于圆柱形电池）来构造电池。 为了获得电池模块/电池组的热行为的精确模拟，应描绘几何形状，配置，物理和电化学特性。 然而，由于不可接受的计算时间量，完全描述每个单个单元的细节是不切实际的。 在经验热源模型中采用了一些简化的策略，例如将细胞的分层结构作为均质材料并将容器转移为边界方程的一部分。 本节将介绍几种有效物理参数的计算方法

根据每个内部电池组件的体积Vi计算单个电池的密度和热容的有效值，如下所示： （1）

由于其内部几何形状，锂离子电池的导热性被认为是各向异性的。 圆柱形电池的轴向热导率或平行于棱柱电池的电极的热导率基于以下等式计算：

（2）

并且通过等式获得圆柱形电池的径向或垂直于棱柱电池的电极的热导率：

（3）

在这里Li是每个组件的厚度

2.2热功率测定方法

在经验热源模型中，通过绝热实验和热量方程得到了电池在充放电过程中产生的热功率，而不是求解复杂的电化学和数学偏微分方程。在绝热实验中，样品电池在绝热条件下充电/放电，并记录表面温度变化。我们假设电池在绝热条件下产生的总热量有助于温度升高，绝缘实验中电池的径向温差可以忽略不计。为了提高精度，进行电池不同位置的温度测量以获得平均温度。

热值表示为： （4）

放电过程中产生的热功率可以推导为

（5）

通过计算有效参数和在绝热条件下记录表面温度，获得样品池的热功率与操作时间之间的关系用于模拟。

图1

2.3 经验热源模型

需要Ansys，Comsol或其他提供CFD和热模拟的商业软件来构建经验热源模型。 利用电池参数和实验数据，通过建立模块结构和分配参数值，可以轻松开发电池模块。 应根据模拟条件定义边界条件。 在充电/放电期间，电池模块的控制方程表示如下：

（6）

（7）

（8）

具有强制空气冷却的5times;5电池模块的三维瞬态热模型将在下一节中讨论作为经验热源模型的应用。 由于充放电过程之间可逆的发热率差异，当运行条件保持不变时，放电过程中产生的总热量高于充电过程中产生的总热量。 因此，我们在模拟中选择放电过程来覆盖宽电池工作条件。

图2

图3

5 * 5电池模块的高效空气冷却策略

根据我们过去研究工作的结论，5 * 5电池模块包含圆柱形电池，单元间空间为1 mm，顶部有冷却风扇，是最有效的强制风冷结构。 在本节中，研究了空气冷却策略以及使用经验热源模型在不同工作温度和电流速率下对5 * 5电池模块的故障预测。 在构建模型时考虑使用特定的商用Sanyo 18650 1500 mAh锂离子电池。 热物理参数列于表1，同时有效热物理参数通过方程1~3计算

进行隔热实验：我们早期的研究工作（图1和图2）显示了实验设施和温度测量点的布置以及隔热环境的设计。在1℃，2℃和3℃恒定电流速率下电池的表面温度分别记录在环境试验室THERMOTRON中，其中1℃放电率意味着1.5 Ah样品电池在理想条件下在1.5 A放电电流下放电1小时。在实际实验中，设置截止电压以防止过放电，使放电时间短于理想条件下的放电时间。将腔室的温度设定为25℃，以确保电池的初始温度为25℃。 K型热电偶连接到数据记录器，数据记录器记录三个不同位置（在顶部表面，中间，底部表面上）的细胞表面的实时温度。在实验中应用DC电子负载以控制电池的放电电流和截止电压。在电池上安装直流电子负载和热传感器后，将一层塑料泡沫卷到电池上以确保绝热状态。恒流放电过程的截止电压为2.5V。我们假设在隔热放电过程中沿电池径向的温差很小，测量点的最高温度和最低温度的平均值用于计算热值和热量产生率。恒定电流放电率下的平均温度曲线和热发电率如图1和2所示。

所提出的电池模块包括在顶表面上的风扇作为空气入口和在底表面上的开口作为空气出口。表壳材料是电池模块常用的ABS塑料，传热系数恒定为10 W / K m2（自由空气对流）。风扇的进气流温度与环境温度相同，并且压力被认为是标准大气压。当电池温度高于环境温度时，将辐射考虑在内，辐射系数设置为1.对于所有模拟场景，风扇和开口的半径设置为0.03 m，以便于比较。电池间空间为1 mm，外电池距模块外壳1 mm，电池底部与机壳底部之间为5 mm，顶部为15 mm。电池上方的额外空间设计用于电路实际应用中的连接。在模拟中假设开放的自由出口边界条件。

3C放电率下电池模块的热管理

图3（a）显示了当风扇不工作时，在25℃环境温度下3C放电过程中电池模块的温度分布。可以看出，放电的前半部分电池温度均匀，700秒后电池模块中心部分出现高温区域。电池温度从600 s开始超过40℃，最后以放电结束时49℃。当环境温度变化（15℃，20℃，30℃和35℃）且风扇仍不工作时，电池模块中电池的温度分布模式相似，电池温度不断升高，达到最高温度。电池模块中央部分的放电结束。图3（b）描述了25℃放电时风扇风速为1 m / s的情况。最高温度点出现在最外面的电池的底部，因为冷却风扇位于顶部表面的中间并且电池模块边缘附近的空气速度很慢。类似的情况发生在不同的环境温度和放电率下。

参考文献中讨论了电池模块中电池之间的温度均匀性，因此，我们关注冷却效果调查的最高温度。 3C放电过程中不同环境温度下无强制空气冷却的电池模块的最高温度变化曲线

如图4（a）所示。 温度曲线的斜率是相同的，这意味着在没有空气冷却的情况下，在不同的环境温度下，发热和散热之间的平衡保持不变。 当环境温度高于20℃时，需要进行冷却以使电池温度保持在0-40℃范围内。

强制风冷的能力因空气速度，环境温度，冷却介质与冷却对象之间的温差，冷却时间等因素而异。为了制定有效且节能的冷却策略，应考虑所有这些因素。图4（b）显示了当环境温度为25℃且冷却风扇速度为1 m / s时，在放电过程中不同冷却策略下电池模块的峰值温度曲线。当风扇在整个放电过程中工作时，可以获得最佳的冷却效果。然而，将电池模块温度保持在0e40℃内的目的也可以通过“冷却时间”来实现。当风扇在500秒，600秒或700秒开始工作时，模块会有效冷却。与前一部分相比，最好在放电过程的后半部分将冷却空气引入电池模块，因为冷却空气和后一部分的电池之间的大的温差增加了冷却能力。比较所有冷却策略，冷却风扇在电池模块的最高温度达到40℃时启动是最有效和节能的方法。

此外，还分析了故障预测。当风扇在放电期间发生故障时，可以从图4（b）判断启动备用冷却设备或停止放电的必要性。在这种情况下，当风扇在600秒或以后停止时，在放电过程中温度不会超过40℃。否则，需要备份计划以保持电池模块的安全和健康。 图4（c）是不同环境温度下电池模块的峰值温度曲线和连续的冷却空气流量。当环境温

资料编号：[4348]