蔡天鏖，沈雪阳，贺春敏，杨翼
(南京邮电大学电子与光学工程&柔性电子学院，江苏南京 210046)
自国务院发布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020 年)》以来,我国坚持纯电驱动战略决策，以发展新能源汽车为举措，应对当下复杂的气候变化、缓解石油等不可再生能源的枯竭危机[1,2]。如今新能源汽车行业面临的关键挑战是成本、性能、可靠性和安全性，这些问题与汽车的储能系统密切相关。目前市场上提供的可充电电池中，锂离子电池凭借能量密度高、维护成本低、无记忆效应等特性，成为新能源汽车的核心技术，在市场上得到广泛的应用[3,4]。在电动汽车中，汽车行驶的动力源以及车机系统的运行都是通过动力锂离子电池的供能来实现。目前研究人员主要致力于锂离子电池充放电性能的提升，如大功率放电、可快速充电等，而涉及锂离子电池到动力电池组集成关键技术的研究相对较少。锂离子单体电池的形状、尺寸及性能各不相同，例如特斯拉Model S 使用了7 000 多块18650 电池(3.1 Ah)，而三菱i-MiEV使用了88 块大型圆柱状电池(50 Ah)。较小尺寸的单体电池具有较低的老化率及更高的安全性，但集成和组装成本较高，需要大量的单元保护电路和复杂的控制系统。当选用较大尺寸单体电池时，优点是集成成本低、故障排除简单，但电池组热老化率和容量衰减率较高[5]。可见，单体电池以及电池集成技术的选择对动力电池的储能特性具有重要影响，因此非常有必要对其进行研究。
电动汽车电池组的设计是一项系统的工作，除了涉及到单体电池设计、电池集成和封装之外，还包括电池热管理系统、电池管理系统的设计。据统计，仅在2021 年我国发生了数十起新能源汽车起火事件，起火原因主要是动力电池在受到电滥用、机械滥用以及热滥用的情况下，锂电池内部热量急速积累，引发电池组温度急速升高，进而出现爆燃，爆炸等危险状况。解决锂电池的安全问题迫在眉睫，因此对于锂电池热失控的研究具有重要意义。目前，研究者们对于锂电池的热失控已经提出多种管理技术方案，包括空气冷却散热、液冷散热、相变材料冷却等[6-8]。其中以空气为介质的风冷系统是目前应用最广泛的锂电池冷却系统，现有的相关研究主要包括：流道的进出口位置、流道的宽度、出口的形状与大小以及风量。陈凯等在并行流道风冷式电池热管理系统中，通过逐步调整控制点高度来优化导流板形状，优化后系统较原来相比最高温度下降了3.7 K 以上，最大温差减小了85%以上[9]。时天禄等以电池组的排布方式、单元间距等几何参数为变量，结合建立的18650 型LiFePO4单体电池组模型，同时通过改变径向导热系数等热物性参数来进行仿真分析。以此来寻求电池组最高温度最低，温差最小的电池组排布方式。得到结果证明，六边形排布结构下电池距离越大平均温度越低，温差越小；
在径向导热系数为0.217 4 W/(m·K)时，能得到更为均匀的电池组间温度分布[10]。本文通过COMSOL软件模拟了磷酸铁锂单体电池(方形)的温度场分布，并建立了磷酸铁锂电池组的产热和风冷散热模型，以单体电池温差最小和电池组最高温度最低为目标，分析研究电池组排布方式和组间单元间距对动力电池组风冷散热效果的影响机制，寻求最优设计方案。
1.1 锂离子电池风冷系统模型
我们构建了锂离子电池风冷系统模型[图1(a)]，其中电池、出风口和进风口分别如图1(b)，(e)、(f)所示。电池由三组电池模块组成，每组电池模块中共有3×5 组电池，每组电池由5 片单体电池构成，电池组壳体为铝，其三维模型如图1(c)所示。鉴于每组电池模块的排布方式、散热结构都完全相同，在考虑优化计算量的前提下，后文只对单电池组模块进行模拟仿真。锂离子单体电池采用方形磷酸铁锂电池，单体电池主要参数为200 mm(长)×10.4 mm(宽)×300 mm(高)，标称容量为75 Ah，标称电压为3.25 V，其三维模型如图1(d)所示。根据公式(1)计算可得电池组的总容量为18.3 kWh。
图1 锂离子电池风冷系统
式中：P为功率，kW；
W为电池组容量，kWh；
U为电池两端直流电压，V；
n为电池组电池数量；
t为电池放电时间；
q为单体电池容量，kWh。[11]
电池组的排布结构如图2 所示，图2(a)、(b)分别为电池顺排排布和叉排排布。空气从电池组左侧进入，经过并行流道与电池组换热，带走电池组运行产生的热量。
图2 电池组模块排布(俯视图)
1.2 电池热模型
通过建立锂电池的热模型来研究磷酸铁锂电池的热特性，而在锂电池充放电的过程中主要包括产热和传热两个热特性过程。设置研究对象为单层电极对，其中单层电极对由正负极集流体、正负负极活性物质和隔膜5 个部分构成如图3(a)所示(图为Z轴方向放大了150 倍以便于观察)。选择铝箔为正极集流体、铜箔为负极集流体、磷酸铁锂为正极活性物质、石墨为负极活性物质、LiPF6(3:7 EC:EMC)为电解质。电极对设置放电充电以及静置的一个循环，如图3(b)所示为不同时间段温度分布。
图3 单层电极对的温度场分布
本文采用的电芯为75 Ah 层叠式磷酸铁锂电池，该电池由61 个如图4 所示的单层电极对层叠而成。设置环境温度为20 ℃，充放电倍率为1C，通过提取单层电极对的产热速率，简化代入电芯模型，得到平均温度分布结果如图4(a)所示。图4(b)可以看出电芯高温出现在正极极耳处，低温出现在电池底部。
图4 单体电池的温度场分布
1.2.1 产热过程
由于锂电池内部的产热化学反应极为复杂，Bernarid 等在1984 年提出了简化后的理论生热模型[12]。具体的计算公式如下：
式中：q为电池的产热；
Vb为电池体积；
I为电流；
E0为开路电压；
U1为端电压；
T为系统温度；
dE0/dT为温度影响系数，V/K。
1.2.2 电池组传热过程
电池组的传热基于以下方程进行描述：
在电池充放电过程中，锂电池的内部存在微弱的电解质溶液流动，但是这种流动过于微弱，可以忽略不计，所以在简化模型情况下不考虑电池内部的热对流；
同时在电池充放电过程中，热辐射的作用也极其微弱，同样在简化模型情况下不考虑。因此，在简化模型的情况下，可以认为将锂电池的内部传热过程看作是一个发生在均一各向异性材料中的固体热传导过程，在锂电池的内部以热传导的传热方式为主[13]。
在正负极平面上，导热系数：
在正负极垂直向上，导热系数：
式中：Lj为单层电芯各部分厚度；
kTi为三个轴方向导热系数，kTj为各个材料导热系数。
其中，活性电池材料的密度ρcell和热容Cpcell的计算依据为：
其中电池各部分热参数如表1 所示。
表1 热特性参数 W/(m·K)
为了比较风冷对动力电池组热行为的影响作用，设定环境温度为20 ℃，电池组顺排排列且Y方向间距为8 mm，X方向间距为20 mm，在进口空气流速分别为0 m/s(无空气流动)和5 m/s(有空气流动)条件下对电池组的热行为进行仿真模拟，其结果如图5 所示。图5(a)表示电池组在充放电时发热量的变化曲线，可以看出电池组的发热量随着电池的充电过程呈现出明显上升趋势，在充电结束时(2 520 s)为11 000 W/m3,随着放电过程的进行，发热量急剧升高直至放电结束时(5 040 s)达到约20 000 W/m3，可见电池组在工作过程中产生了大量的热量。图5(b)、(c)展示了电池组在有无风冷条件下的温度分布情况。在无空气流动时，电池组的两个温度峰值分别为24.8(充电结束时)和28.7 ℃(放电结束时)；
而在有空气流动条件下，相应的温度峰值分别下降为23.6 和24.1 ℃。通过对比可以推断，无风冷情况下电池组工作时产生的热量不断累积，难以释放，当有空气流动时，热量可以和流道中的空气发生热交换并随空气从出口流出，有效带走热量。但需要注意的是，在风冷条件下，无论在哪个时间段，温度从入风口处开始不断升高，最高温度出现在靠近出风口的内部电池组上，同时位于模型外围的电池温度要低于位于模型内部的电池。由此分析高温主要汇聚于电池组的中后部，原因为流道的末端空气本身携带流道前端的热量且位于电池组中部热量不容易散去。总体来说，在一个充放电循环后出现电池组局部温度过高，高温集中在一个区域，组件温度分布不均匀的问题。
图5 风冷散热对电池组温度分布的影响
在有风冷情况下，电池组的最高(低)温度分布以及电池组间温差如图6所示。从图中可见，在1C的充放电倍率下，三个时间段的最高温分别是24.5、26.9、24.7 ℃；
最低温分别是20.4、20.4、20.0 ℃；
温差分别是4.1、6.5、4.7 ℃。根据现有的研究(电池升温研究和电池热特性研究)可知磷酸铁锂电池的理想工作温度范围是20～35 ℃，最大温差要低于5 ℃。此时电池组的最高温度为24.7 ℃左右，处在磷酸铁锂电池的理想工作温度范围内，电池间的最大温差6.5 ℃超出了理想范围。因而需要对电池组分布进行优化，获得更优的解决方案。
图6 电池组最高温度以及温差分布
基于磷酸铁锂电池的最佳工作温度范围是20～35 ℃，最大温差低于5 ℃以下为目标对风冷系统进行优化。
3.1 Y 方向电池组排布优化
调整电池组的间距，以增加空气流道所带走的热量，首先将X方向间距固定为20 mm，调整Y方向间距分别为0、8、16、24、32、40 mm 进行仿真，并将结果进行对比。图7 表示不同间距情况下在整个时间轴上电池组的最高温度以及温差的分布情况，其中两个高温的峰值点分别出现在2 520 s(充电结束时)和5 040 s(放电结束时)。分析结果可得在Y轴间距为8 mm 时出现最高温度为27.0 ℃，此时温差为6.6 ℃，在Y轴间距为40 mm 时候最高温度最低为23.2 ℃，此时温差为2.8 ℃。可见，Y方向上随着间距的增大电池的最高温度和温差出现上升的趋势，直至间增大到24 mm 开始出现下降趋势。这是由于流道初期过于狭窄，流道间空气流动所带走的热量不如间距为0 mm 时，电池组通过外壳热传导被空气流动带走的热量，在24 mm 界限后，流道拓宽，空气在流道间带走的热量增大，开始出现流道越大，最高温与温差越小的趋势，同时这个下降趋势会不断趋于平缓。在此基础上考虑电池组的实用性与经济型，此模型选择Y方向的间距最优解为32 mm。
图7 不同Y方向间距电池组温度分布
3.2 X 方向电池组排布优化
基于上述结果，将Y方向间距固定为32 mm，调整X方向间距为0、4、8、12 mm，图8 表示设置不同X方向间距所对应的电池组最高温度以及温差的分布情况。分析可得在X轴间距为0 mm 时出现最高温度为24.7 ℃，此时温差为4.2 ℃，在X轴间距为4 mm 时候最高温度最低为24.0 ℃，此时温差为3.7 ℃。从图中可得X方向上随着间距的增大电池的最高温度和温差出现下降的趋势，直至增大到4 mm 开始出现上升趋势。造成这种现象的原因主要是在4 mm 界限前，增大流道间隙不会破坏空气流动，此时电池组间间隙增大可以带走更多热量，在4 mm 界限后，流道拓宽，流道被破坏，开始出现间隙越大，最高温与温差越大的趋势，同时考虑实用性和经济型，因此模型选择X方向的间距最优解为4 mm。
图8 不同X方向间距电池组温度分布
3.3 电池组排布方式优化
基于上述结果将Y方向间距固定为32 mm，将X方向间距固定为4 mm，比较电池组顺排排列和叉排排列的温度场分布。当叉排排列的间距分别设置为0、4、8、12 mm 时，不同间距情况下在整个时间轴上电池组的最高温度以及温差的分布情况如图9 所示。可见，在电池组叉排排列后电池组最高温度和温差随着叉排排列的距离增大而增大，可以解释为叉排排列电池组后，流道被破坏，散热效果降低，因而顺排排列的电池组冷却效果最优。
图9 叉排排列电池组温度分布
3.4 风速对电池组的影响
为研究风速对电池组散热效果的影响作用，将层流入口风速分别设置为1、3 和5 m/s，Y方向和X方向间距分别固定为32 和4 mm，且电池组顺排排列方式下进行仿真模拟，电池组在一个充放电周期内最高温度以及温差的分布曲线，以及不同风速下电池组达到最高温度时的三维分布图如图10 所示。当风速为1、3 和5 m/s 时，电池组的最高温度分别为27.4、24.9、23.6 ℃,降幅为13.8%,最大温差为5.7、4.3、3.2 ℃，降低了2.5 ℃。可见，风速越大，流道流经的空气流量越大，此时空气与电池组热交换带走的热量更多，散热效果越好。
图10 风速对电池组温度分布的影响
3.5 环境温度对电池组的影响
为研究环境温度对电池组散热效果的影响作用，将环境温度分别设置为0、20 和40 ℃，风速设为5 m/s，Y方向和X方向间距分别固定为32 和4 mm，且电池组为顺排排列方式下进行仿真模拟。图11 表示1C充放电倍率下不同环境温度中电池组的温度分布随时间变化曲线以及电池组的最高温度三维分布情况。电池组的最高温度随着环境温度的升高而增大，当环境温度从0 升高到20 ℃时，电池组的最高温度从3.85 增加到23.6 ℃，相对温升分别为3.85 和3.6 ℃,最大温差分别为3.45 和3.2 ℃。当环境温度达到40 ℃时，电池组的最高温度为43.8 ℃,相对温升3.8 ℃最大温差为3.4 ℃。综上可知环境温度为0 ℃时，电池组的相对温升高于常温情况，主要原因是环境温度较低时，电池的内阻大，在相同的充放电下，电池组产生的热量也变多。在高温40 ℃时，受环境温度过高影响，电池组整体温度也高于常温20 ℃时候的情况，相对温升也较高。
图11 环境温度对电池组温度分布的影响
本文针对磷酸铁锂电池组的热管理系统，通过构建LiFePO4单体电池电化学模型以及电池组热耦合模型，对电池组的产热和风冷特性进行了仿真分析。从电池组排布方式、组间间距设置、风速大小以及环境温度变化等角度切入，以最高温最低且组间温差最小为目标，对动力锂离子电池的风冷散热系统进行优化设计。结果表明：在环境温度为20 ℃，风速为5 m/s，电池组顺排排布，且Y方向和X方向间距分别为32 和4 mm 时，风冷散热效果最好，可以将电池组的最高温度控制在24 ℃以内，温差控制在3.2 ℃以下。
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