車用動力鋰電池產(chǎn)熱特性分析與優(yōu)化

軍用動力鋰電池產(chǎn)熱特性分析與優(yōu)化金標(biāo);姜斌;劉方方;姜炳春【摘要】為研究各散熱因素對單體動力鋰電池散熱綜合能力的影響，建立了電池三維瞬態(tài)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型，利用有限元法模擬仿真了充電工況下電池溫度場分布并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,同時基于有限元仿真熱模型及溫度仿真結(jié)果采用正交實(shí)驗(yàn)法對電池表面散熱能力的各影響因素重要度進(jìn)行了計算分析，得到了最佳影響因素組合，并進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證.結(jié)果表明了有限元仿真熱模型可信.充電電流重要度(0.54)＞環(huán)境溫度重要度(0.21)＞對流換熱系數(shù)重要度(0.15)＞熱輻射系數(shù)重要度(0.05)對電池散熱的影響程度.優(yōu)化后的電池散熱性能比優(yōu)化前得到提高.虛擬正交實(shí)驗(yàn)法在電池散熱方案設(shè)計中具有實(shí)際應(yīng)用價值.【期刊名稱】《儲能科學(xué)與技術(shù)》【年(卷)，期】2018(007)001【總頁數(shù)】7頁(P128-134)【關(guān)鍵詞】產(chǎn)熱模型;影響因素;虛擬正交實(shí)驗(yàn)法;方差分析【作者】金標(biāo);姜斌;劉方方;姜炳春【作者單位】廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系,廣東東莞523000;東莞塔菲爾新能源科技有限公司，廣東東莞523795;廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系,廣東東莞523000;廣東科技學(xué)院機(jī)電工程系廣東東莞523000【正文語種】中文【中圖分類】TM911.41動力鋰電池在頻繁充放電過程中內(nèi)部將產(chǎn)生大量熱量，若散熱速率遠(yuǎn)低于產(chǎn)熱速率，將導(dǎo)致局部溫度迅速升高，嚴(yán)重時造成電池?zé)岱簽E事故，因此，研究鋰電池散熱對解決其熱安全問題具有重要意義。國內(nèi)外關(guān)于鋰電池散熱方面的研究主要集中在其產(chǎn)熱機(jī)理、產(chǎn)熱模型以及各種散熱影響因素分析。SATO等［1］從熱力學(xué)角度討論了鋰電池的熱效應(yīng)并闡明其放熱機(jī)理。KIM等［2］等建立了鋰電池三維產(chǎn)熱模型及電熱耦合模型，并通過數(shù)值仿真法獲得電池內(nèi)部溫度場分布。TAHERI等［3］等考慮了對流換熱、熱輻射邊界條件以及電池內(nèi)核材料具有正交特性的導(dǎo)熱系數(shù)來研究電池?zé)嵝袨椤鉐EON等［4］等模擬分析了電池在不同充放電倍率情況下的溫度場。國內(nèi)的匡勇等［5］等闡述了鋰電池產(chǎn)熱基本原理并總結(jié)了鋰電池各種產(chǎn)熱模型。王宇暉等［6］、羅慶凱等［7］、李爭等［8］、雷治國等［9］等定性定量地分析了散熱條件如環(huán)境溫度、電流大小、放電速率對電池散熱的影響。以上這些研究表明鋰電池散熱與各種因素有關(guān)，但均未定量地明確這些因素對電池散熱的影響程度。本文考慮動力鋰電池不同散熱影響因素，利用有限元產(chǎn)熱仿真模型進(jìn)行溫度場仿真分析，采用虛擬正交實(shí)驗(yàn)法對影響評價指標(biāo)的各因素重要度進(jìn)行分析，以此獲得散熱參數(shù)的最佳組合，保證較好的散熱效果。所研究的45方形動力鋰電池的外形幾何尺寸參數(shù)：135mx25mx168m,極柱直徑和高：18mm和10mm;外殼厚度：1.5mm。簡化后的鋰電池幾何模型如圖1所示，圖中，線m-n為中心截面y方向上的中心線。根據(jù)鋰電池產(chǎn)熱、傳熱及散熱規(guī)律和能量守恒方程，直角坐標(biāo)系下方形鋰電池瞬態(tài)產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型為：式(1)等號左側(cè)為單位時間內(nèi)電池?zé)崃W(xué)能的增量，右側(cè)第一項為因電池表面?zhèn)鳠岫闺姵卦趩挝粫r間內(nèi)增加的能量，第二項為電池各種產(chǎn)熱速率的總和。式中，P為電池平均密度；Cp為平均比熱容；t為時間；入為導(dǎo)熱系數(shù)，下標(biāo)x、y、z代表坐標(biāo)；q為產(chǎn)熱速率，由電池內(nèi)核及極柱兩部分的產(chǎn)熱速率組成，可分別根據(jù)BERNADI等［10］提出的經(jīng)典公式及焦耳熱公式進(jìn)行計算。對于電池表面與外界之間的邊界條件如對流換熱系數(shù)h、熱輻射系數(shù)8可通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行設(shè)置。式中關(guān)于電池內(nèi)核材料的三維正交導(dǎo)熱系數(shù)可利用CHEN等［11］提出的計算方法計算得到，其它材料如鋁、銅可通過手冊查詢得到。鋰電池?zé)岱抡嫠璧牟牧蠈傩匀绫?所示。利用上述產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型以及ANSYS有限元分析軟件，對以下4種典型工況進(jìn)行模擬：①環(huán)境溫度T0=298K，對流傳熱系數(shù)h=5W-m-2-K,熱輻射系數(shù)8=0.9時不同充電電流I對電池?zé)嵝袨榈挠绊?；②充電電流I=45A，對流傳熱系數(shù)h=5W-m-2-K,熱輻射系數(shù)8=0.9時不同環(huán)境溫度T0對電池?zé)嵝袨榈挠绊?；③充電電流I=45A，環(huán)境溫度T0=298K時，不同對流換熱系數(shù)h對電池?zé)嵝袨榈挠绊?；④充電電流I=45A，環(huán)境溫度T0=298K時，不同熱輻射系數(shù)8對電池?zé)嵝袨榈挠绊?。仿真時初始溫度取300K。圖2-3為電池在工況①下，電池表面溫度場分布云圖以及電池充電結(jié)束時不同充電電流時電池線m-n的溫度分布。圖4-6分別為工況②~④下，電池充電結(jié)束時，電池線m-n的溫度分布曲線。由圖2可看出，充電結(jié)束后電池外殼中心溫度較高，邊緣溫度較低。由于電池正負(fù)極極柱產(chǎn)熱量較小，因而極柱處溫度相對較低。另外，由于蓋板熱量來自極柱及外殼的傳熱，因此溫度最低。從圖2(c)可知：充電電流為67.5A時，電池內(nèi)部溫度高達(dá)327.1K。從圖3溫度分布曲線可知：曲線呈對稱分布，電池內(nèi)部中心溫度最高，表面溫度最低。從圖4可知：在相同充電電流和對流換熱系數(shù)條件下，環(huán)境溫度越高，電池內(nèi)部溫度越高；環(huán)境溫度從298-318K變化范圍內(nèi)，電池最高溫度約從315.5~331.0K，這是因?yàn)殡姵乇砻嫔嵋揽繉α鲹Q熱，而換熱量與環(huán)境溫度成反比，環(huán)境溫度越高，電池與外界換熱量越小，對流換熱效果越差。從圖5可看出：對流換熱系數(shù)越大，電池溫度越低，這是由于在環(huán)境溫度一定情況下電池表面與對流換熱量與對流換熱系數(shù)大小成正比。從圖6可看出，熱輻射系數(shù)變化對電池溫度有影響。熱輻射系數(shù)越大，電池表面溫度越低。圖7為溫度傳感器布置點(diǎn)，充電試驗(yàn)過程中取圖中5個監(jiān)控點(diǎn)的溫度平均值作為電池表面平均溫度，且與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。仿真時環(huán)境溫度、初始溫度、輻射率和對流換熱系數(shù)分別取298K、300K、0.9和5W?m-2K-1。試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比曲線如圖8所示。從圖8可知：0.5C、1C、1.5C(C為充電倍率)充電結(jié)束后，試驗(yàn)得到電池表面最高溫度分別為309.5K、323.7K、333.2K，與仿真值相比，最大溫度差分別為1.37C1.98C2.13°C,試驗(yàn)值與仿真值比較接近，溫度相差在2.5C以內(nèi)，表明有限元仿真熱模型能較好地反映出該電池在充電過程中的產(chǎn)熱情況，證明該有限元仿真熱模型的準(zhǔn)確性。從上述溫度場模擬仿真可知，充電電流、環(huán)境溫度、對流傳熱系數(shù)和熱輻射系數(shù)都是影響電池表面散熱的重要參數(shù)，但這些參數(shù)對電池散熱影響程度還不明確。正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計是一種安排多因素試驗(yàn)、確定各因素影響程度、尋求最佳水平組合的高效率實(shí)驗(yàn)設(shè)計方法，因此，對于以上不確定的電池散熱影響因素，可通過設(shè)計正交試驗(yàn)，分析各影響因素對電池表面散熱影響重要性主次順序，并選擇最優(yōu)組合。分別在不同充電電流I、環(huán)境溫度T0、對流傳熱系數(shù)h、輻射系數(shù)￡等工況下進(jìn)行熱模擬，電池表面最高溫度Tsmax及表面溫度均勻性UT作為評價電池散熱性能的兩個指標(biāo)，UT定義如下：UT=(Tsmax-Tsmin)/(Tsmax+Tsmin),Tsmin為外殼最小溫度。本實(shí)驗(yàn)共4個實(shí)驗(yàn)因素，每個實(shí)驗(yàn)因素各取3個水平。本次實(shí)驗(yàn)不考慮因素間的交互作用，得到實(shí)驗(yàn)表頭形式如表2所示。利用有限元仿真熱模型，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，即在不同工況下對電池進(jìn)行熱仿真得到各因素水平下的虛擬實(shí)驗(yàn)指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。電池散熱的綜合性能取決于最高溫度、散熱均勻性2個指標(biāo)。要得到最優(yōu)試驗(yàn)方案，則應(yīng)綜合考慮這2個試驗(yàn)指標(biāo)。對于雙指標(biāo)正交試驗(yàn)優(yōu)化問題，本文采用綜合評分法得到最優(yōu)方案。按式(2)計算每號實(shí)驗(yàn)結(jié)果的每個指標(biāo)的隸屬度。其中，Y(k)表示每號實(shí)驗(yàn)結(jié)果值，n表示實(shí)驗(yàn)數(shù)。給出各指標(biāo)相對重要性權(quán)數(shù)。本文最高溫度權(quán)重取0.6，溫度均勻性權(quán)重取0.4，并按式(3)作為該號實(shí)驗(yàn)總分?jǐn)?shù)。其中，yt(k)、yut(k)分別表示最高溫度及溫度均勻性指標(biāo)的隸屬度。實(shí)驗(yàn)總分?jǐn)?shù)越小，表明電池散熱綜合性能越好。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果方差分析計算綜合指標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的總和、均值和極差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總和Kij為第i個實(shí)驗(yàn)因素的第j個水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和。實(shí)驗(yàn)結(jié)果均值kij表示第i個實(shí)驗(yàn)因素的第j個水平實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和與各水平的實(shí)驗(yàn)次數(shù)的比值。極差Ri為實(shí)驗(yàn)因素各水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果平均值的最大值與最小值的差值，即極差大小反映了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果重要性的大小。極差值越大，反映該因素的變化對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響越大，因素越重要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果總和、均值及極差計算結(jié)果如表4所示。從表4可知，根據(jù)計算的極差值大小可得到散熱影響因素的主次順序：I>T0>h>￡。從產(chǎn)熱數(shù)學(xué)公式可知，在充電過程中，充電電流是內(nèi)部產(chǎn)熱的直接原因，因此，它對電池表面散熱影響程度最大，其重要度為0.54。從對流換熱原理可知，對流換熱可通過降低環(huán)境溫度來降低電池外部溫度即環(huán)境溫度，所以，環(huán)境溫度和對流換熱對電池表面散熱的影響相當(dāng)，重要度分別為0.21和0.15。熱輻射對電池表面散熱的影響最小，重要度為0.05。圖9為綜合指標(biāo)效應(yīng)曲線圖。圖中，橫坐標(biāo)表示各散熱因素的各水平，縱坐標(biāo)表示相應(yīng)因素各水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合分?jǐn)?shù)。由圖可知，充電電流I和環(huán)境溫度T0兩個影響因素越大，綜合分?jǐn)?shù)越大，在所選水平區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為單調(diào)遞增的趨勢；對流換熱系數(shù)影響因素越大，綜合分?jǐn)?shù)越小，在所選水平區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為單調(diào)遞減的趨勢;熱輻射系數(shù)的趨勢曲線較平緩，表明該影響因素的變化對電池綜合散熱指標(biāo)的影響不大。根據(jù)圖9，22.5A的充電電流對應(yīng)的綜合分最小，該影響因素為散熱可控因素，即電池以0.5C充電倍率進(jìn)行慢充電。298K的環(huán)境溫度對應(yīng)的綜合分?jǐn)?shù)最小，環(huán)境溫度越低，消耗的汽車空調(diào)的能量越多；5W?m-2K-1的對流換熱系數(shù)對應(yīng)的綜合分?jǐn)?shù)最小，但考慮到散熱裝置耗能問題，充電過程中取10W?m-2K-1(一般強(qiáng)度強(qiáng)制風(fēng)冷散熱方式)即可；熱輻射系數(shù)取0時的綜合分?jǐn)?shù)最低，但目前動力鋰電池外殼一般為鋁殼，一般對鋁殼進(jìn)行了工藝處理，考慮成本因素，鋁殼表面熱輻射系數(shù)可取0.4。由以上分析得出，最優(yōu)組合影響組合方案可為I1(22.5A)、￡3(0.4)、T02(298K)、h1(10W?m-2K-1)，即對應(yīng)表3中的第2種工況。而鋰電池實(shí)際使用條件大多數(shù)是1C倍率充電、鋁殼表面氧化拋光處理、室溫下、—般自然對流，因此實(shí)際影響因素組合是12(45A)、￡3(0.9)、T02(298K)、h1(5W?m-2K-1)。優(yōu)化前方案即實(shí)際影響因素組合方案和優(yōu)化后方案即最優(yōu)影響因素組合方案未出現(xiàn)在表3工況中，對優(yōu)化前后方案進(jìn)行溫度場仿真計算，得到優(yōu)化前后該單體動力電池表面的溫度分布，如圖10所示。由圖可知：優(yōu)化前電池較優(yōu)化后電池表面溫度梯度較明顯，即優(yōu)化后電池表面分布較均勻，優(yōu)化前后的最高溫度分別為313.3K、305.8K。根據(jù)仿真結(jié)果以及正交試驗(yàn)直觀分析計算可得到優(yōu)化前后仿真優(yōu)化結(jié)果對比見表5，從表中可看出，優(yōu)化后方案電池綜合分較優(yōu)化前降低了70.4%,表明優(yōu)化后方案電池的散熱綜合性能得到提高。通過多工況下鋰電池的溫度場仿真及基于虛擬正交實(shí)驗(yàn)的散熱影響因素的重要度分析可知：影響電池散熱綜合性能指標(biāo)的最重要因素是充電電流，環(huán)境溫度和對流換熱系數(shù)依次次之，熱輻射系數(shù)對其結(jié)果影響最小?？紤]耗能、成本等因素，最優(yōu)影響因素組合為I1(22.5A)、e2(0.4)、T02(298K)、h2(10W?m-2K-1),通過優(yōu)化前后的有限元仿真對比結(jié)果可知，優(yōu)化后的電池散熱綜合性能比優(yōu)化前有所提高，表明虛擬正交實(shí)驗(yàn)方法在電池散熱方案設(shè)計中的應(yīng)用前景。【相關(guān)文獻(xiàn)】SATON,YAGIK.Thermalbehavioranalysisofnickelmetalhydridebatteriesvehicles[J].JSAEReview,2000,21(2):205-211.KIMGH,SMITHK,PESARANA.Lithium-ionbatterysafetystudyusingmulti-physicsinternalshort-circuitmodel[R].CA:NREL,2009.TAHERIP,YAZDANPOURM,BAHRAMIM.Transientthree-dimensionalthermalmodelforbatterieswiththinelectrodes[J].JournalofPowerSources,2013,243(243):280289.JEONDH.Numericalmodelingoflithiumionbatteryforpredictingthermalbehaviorinacylindricalcell[J].CurrentAppliedPhysics,2014,14(2):196-205.匡勇,劉霞，錢振，等.鋰離子電池產(chǎn)熱特性理論模型研究進(jìn)展[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2015,4(6):599-608.KUANGYong,LIUXia,QIANZhen,etal.Reviewonheatgenerationtheorymodeloflithium-ionbattery[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2015,4(6):599-608.王宇暉，靳俊，郭戰(zhàn)勝,等.鋰硫電池放電過程的熱模擬[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2017,6(1):85-93.WANGYuhui,JINJun,GUOZhansheng,etal.Thermalsimulationforlithium-sulfurbatteryduringdischargeprocess[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2017,6(1):85-93.羅慶凱王志榮，劉靖婧,等.18650型鋰離子電池?zé)崾Э赜绊懸蛩豙J].電源技術(shù),2016,40(2):277-376.LUOQingkai,WANGZhirong,LIUJingjing,etal.Influencingfactorsofthermalrunawayof18650lithiumionbattery[J].ChineseJournalofPowerSources,2016,40(2):277-376.李爭,邢殿輝.基于有限元分析的動力鋰離子電池生熱特性研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報,2016,31(1):42-48.LIZheng,XINGDianhui.Thermalperfo