锂离子电池组结构热仿真

摘 要

锂离子电池组的热特性对于电池组的运行维护具有重要影响。将单体电池热模型简化为均匀发热体，减少仿真流程中的计算量，针对锂离子电池组进行热仿真分析，分析其结构的合理性，并通过实验验证其准确性。利用绝热加速量热仪（accelerating rate calorimeter，ARC）采集锂离子电池的热特性参数，利用简化的电池单体热模型，选择风冷作为冷却方式，通过CFD（computational fluid dynamics）以及CAD（computer aided design）软件建立锂离子电池组的热模型并进行求解，分析电池组内部流场分布、电池组运行时的温度数据，最后通过样机实验测试验证仿真结果的准确性。该电池组在0.5 C恒流充放电条件下，电池模拟温度与实验测试温度变化趋势一致，电池组模拟最高温度与实验测试温度误差0.9 ℃，电池模拟温差与实验测试温差误差0.2 ℃。

关键词 CFD仿真；锂离子电池组；流场；温度场

储能系统是能源互联网中的能源路由器，可将大量可再生能源发电系统大规模接入电网中，直接关系到可再生能源的消纳与电能的灵活高效变换^[1]。锂离子电池储能系统是目前国内外示范应用最多的储能系统类型之一。但是在实际应用中，出于系统运行管理及日常维护的考虑，不仅要进行有效的电管理^[2,3,4]，也要重视其热管理^[5]。环境温度的波动对锂离子电池容量及一致性有较大影响，为延长储能系统使用寿命，要保证电池处在温度较为一致的环境中。当电池模组内温差达到5 ℃时，电池模组的寿命比温差控制在2 ℃以内的模组寿命减少30%。

对于电池组的热管理，往往首先采用建立电池组热模型的方式对电池组发热量进行仿真计算，然后组装样机，根据实测结果修正并优化热模型，进而制定电池组热管理策略。电池组热模型的建立，是以电池单体的热模型为基础，电池单体热模型目前有电-热耦合模型^[6,7,8]、电化学-热耦合模型^[9,10]、热滥用模型等，这些模型能够较为准确地模拟锂离子电池单体的热特性，但是从单体的热模型扩展到电池组的热模型仿真时，由于电池数量多，结构复杂且要兼顾冷却介质，复杂的单体模型将使电池组的热仿真计算变得困难^[11,12]，难以快速、准确地得到电池组热仿真结果。

本文将单体电池热模型简化为均匀发热体，减少仿真流程中的计算量，针对锂离子电池组进行热仿真分析，分析其结构的合理性，并通过实验验证其准确性。首先利用绝热加速量热仪（accelerating rate calorimeter，ARC）采集锂离子电池的热特性参数，其次利用简化的电池单体热模型，选择风冷作为冷却方式，通过CFD（computational fluid dynamics）以及CAD（computer aided design）软件建立锂离子电池组的热模型并进行求解，分析电池组内部流场分布、电池组运行时的温度数据，最后通过样机实验测试验证仿真结果的准确性。

1 电池热特性参数测量

1.1　电池比热容测量测试电池为国内某厂家生产的锂离子电池。选用英国THT公司的绝热加速量热仪ARC对电池进行电池比热容测试，如图1所示，测试温度区间22～57 ℃。

图1   电池比热容的测量

1.2　热导率测量选用Hot Disk公司的TP500s型号的热导率测试仪对电池热导率进行测量，如图2所示。

图2   电池热导率的测量

1.3　电池充放电发热量测量选用英国THT公司的绝热加速量热仪ARC对电池进行0.5 C恒流充放电发热量测试。测试条件：①0.5 C恒流充电发热量：充电电压2.5～3.65 V；②0.5 C恒流放电发热量：放电电压3.65～2.5 V。

2 锂离子电池组热模拟仿真

2.1　软件选用建模及设计采用SolidWorks软件，CFD软件选用STAR-CCM+软件。

2.2　建立仿真模型仿真对象为国内某电池厂生产的36块锂离子电池组成的3并12串组成电池组，冷却方式设定为风冷。图3与图4是电池模型与仿真模型示意图，电池并列三排依次排列，两侧夹板将电池组固定在电池组内。电池组前方矩形拉伸是进风口，电池组后方2个圆柱体拉伸为风扇的仿真模型。由于该结构是对称结构，为了减少计算量，仿真过程中建立半模型。

图3   电池模型Fig.3   Diagram of battery model

图4   仿真模型Fig.4  

2.3　边界条件设定及计算简化假设

1） 边界条件设定计算域中设定了两种域，一种是流体域，另一种为电池所在的固体域。流体域为理想空气，温度设定为26 ℃，出口采用压力边界。其余气固耦合面作为固壁处理。
2） 仿真简化假设进气口是均匀进气；电池简化为均匀发热体；电池靠近挡板一侧认为是绝热的。

2.4　系统特性曲线及风扇工作点的确定通过仿真模型计算系统的压力损失，设置入口流速0.2～2 m/s。并通过该曲线确定风扇F1的工作点，其中F1风扇额定功率18.2 W。

2.5　电池组工况模拟图5是电池编号及温度测量点示意图，如图所示在电池表面中心位置布置监控点，编号依次为T1～T18。模拟中以发热量测试实验的充放电条件为工况，仿真计算电池组流场及温度场并记录电池表面温度随时间变化。

图5   模拟监控点Fig.5  

2.6　锂离子电池热特性参数及模拟结果分析

2.6.1 电池热特性参数
图6是电池0.5 C发热量与充电曲线示意图，由ARC测试的发热量曲线组合为两个循环内的电池发热量曲线，电池的发热量随充放电变化呈规律性变化。电池的比热容1.033 J/（K·g），热导率1.399 W/（m·K）。

图6   电池发热量

2.6.2 系统特性曲线及风扇工作点

图7是风扇特性曲线与系统特性曲线示意图，特性曲线与风扇特性曲线的交点为各备选风扇的工作点，对应仿真模型入口流速0.324 m/s，工作点流量0.033 m³/s，工作压力16.15 Pa。

图7   风扇 p-Q 曲线和系统特性曲线意图

2.6.3 池组仿真结果分析

图8为电池组温度场及流场模拟图，此时电池组经过一个充放电循环，处于静置状态，前排电池温度约28.9 ℃，后排电池温度约34.2 ℃。空气从进气口进入流经电池间缝隙及电池周围空隙，由电池后侧出口流出。

图8   电池组温度场及流场模拟图

图9是电池组模拟温度曲线，电池在表面温度随电池组充放电呈规律性变化。充电阶段电池组温度开始上升，电池表面温度开始分化为两组，靠近进风口的第一排电池温度明显较低，其余两排电池温度较高。充电结束后电池组温度开始下降，电池组温度分化为三组。静置结束后，电池组进入放电阶段，电池组温度持续升高，监控点温度变化规律一致，但监控点间的温度差异进一步变大。至放电结束，电池组监控点的最高温度34.2 ℃，温差5.3 ℃。

图9   电池组模拟温度示意图

3 实验验证

3.1　电池组温度测试

选用美国Bitrode公司生产的FTV4-300-100对电池组进行恒流充放电测试。充放电条件为：①以0.5 C电流恒流充电至单体电压3.65 V，充电结束；②静置10 min；③以0.5 C恒流放电至单体电压2.5 V，放电结束；流程结束。
选用日本HIOKI公司生产的HIOKI8860-50型记录仪测量并记录电池表面温度，选用美国欧米茄公司生产的K型热电偶，测试温度点为模拟温度点T1、T6、T7、T12、T13以及T18对应位置。
选用重庆四达实验设备有限公司生产的SDJ/W580多用途高低温箱为电池组测试提供恒定的环境温度，测试温度设置为26 ℃。

3.2　使用F1风扇的电池组实测温度分析

图10是电池组实测温度示意图，电池组在运行过程中最高温度35.1 ℃，电池组内最大温差5.1 ℃。实测温度与模拟温度有相同的温度变化趋势，前排电池温度高于后排电池温度，中间电池温度高于两侧电池温度，实测值与模拟值近似，检验了模拟的准确性并验证了设计的合理性。由上述结果可以看出，该仿真过程准确体现了该电池组内的温度场及流场分布情况。

图10   电池组实测温度示意图Fig.10   Diagram of measured temperature for the

4 结 论

通过CFD软件对电池组进行仿真，分析了电池组的流场与温度场分布的情况，并通过实验测试验证了仿真结果的准确性。电池组在0.5 C恒流充放电工况下一个循环内，电池组监控点的模拟最高温度34.2 ℃，模拟温差5.3 ℃。电池模拟温度与实验测试温度变化趋势一致，电池组模拟最高温度与实验测试温度误差0.9 ℃，电池模拟温差与实验测试温差误差0.2 ℃。

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