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1鋰電池?zé)嵛锢砟Ｐ?/p>

錳酸鋰電池由正極集流體(Al)、正電極(LiyMn2O4)、隔膜、負(fù)電極(LixC6)、負(fù)極集流(Cu)體組成，結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。電池放電時(shí)，Li+從負(fù)電極脫離，通過隔膜，嵌入正電極；充電酸鋰動(dòng)力鋰電池，其單體電池容量為10Ah，最大電壓4.2V，長(zhǎng)度為66mm，寬度為18mm，高度為120mm，外殼材料為鋁，結(jié)構(gòu)模型如圖2，圖中為了簡(jiǎn)化電池模型，忽略極耳影響。如圖2，在直角坐標(biāo)系中，按照能量守恒定律，得到單體電池的導(dǎo)熱微分方程：錳酸鋰電池在正常工作時(shí)，副反應(yīng)可忽略不計(jì)，產(chǎn)生的熱量主要由三部分組成：可逆反應(yīng)熱生成速率Q1，電化學(xué)反應(yīng)熱生成速率Q2，焦耳熱生成速率Q3。單體鋰電池總熱生成速率[7]為：通過計(jì)算得到單體電池在1C、3C、5C放電時(shí)的發(fā)熱量，如圖3所示。t=0時(shí)，電池為充滿電狀態(tài)，由于在放電初期，電壓下降幅值較大，電池發(fā)熱量也快速上升，同時(shí)為了保證鋰離子電池組的性能和循環(huán)使用壽命，通常將SOC控制在0.3～0.7。電池在1C、3C放電時(shí)，發(fā)熱量隨時(shí)間變化不大；5C放電時(shí)，電池發(fā)熱量急劇上升。在進(jìn)行電池組仿真分析時(shí)，取發(fā)熱量相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的數(shù)值作為熱源，在1C、3C、5C的發(fā)熱量分別為10000、53000、115000W/m3。

2液體冷卻方式下鋰電池組散熱器設(shè)計(jì)及仿真分析

2.1鋰電池組散熱器設(shè)計(jì)圖4所示為液體冷卻散熱器，取5個(gè)單體電池為一個(gè)電池組，電池組之間的間隔為冷板，材料為鋁。為了降低電池表面中心位置的溫度，在冷板中間設(shè)計(jì)兩個(gè)對(duì)稱的液體通道，入口通道和出口通道的尺寸為142mm×20mm×20mm，冷板的尺寸為8mm×66mm×120mm，流體通道的直徑為6mm，考慮到電池組兩端的冷板所吸收的熱量較少，設(shè)置兩端的液體通道直徑相比其他的小1mm。

2.2仿真分析在模型網(wǎng)格劃分時(shí)，網(wǎng)格模型采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，流體區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理，入口通道網(wǎng)格的最小尺寸為0.515mm，最大尺寸為4.76mm，整個(gè)模型的網(wǎng)格數(shù)為585248，如圖5所示。在計(jì)算過程中，把液體流體看作不可壓縮的流體，忽略單體電池的熱變形。

2.2.1電池溫度分布入口質(zhì)量流量為0.8g/s，外界環(huán)境溫度和流體入口溫度為298.15K時(shí)，電池組1C、3C、5C放電的溫度分布如圖6、速度分布如圖7所示。從圖中可以看出液體從通道流入后，經(jīng)過冷板通道，流體流速增大，帶走電池傳遞給冷板的熱量。流體通道內(nèi)的流速較為均勻，電池組兩端的冷板流速較低，但所吸收的熱量較少，所以單體電池之間溫差不大，從溫度場(chǎng)分布可以看出單體電池間溫度一致性很好。電池在1C、3C放電時(shí)，電池的最高溫度分別為300.92、312.76K，但在5C放電時(shí)，電池溫度達(dá)到了329.78K，內(nèi)外溫差達(dá)到了7.12℃，可見放電倍率越大，電池組溫度越高。同時(shí)還可以看出單體電池在沿X軸方向的溫度梯度大于Y軸和Z軸方向的溫度梯度。

2.2.2入口流體溫度變化對(duì)電池溫度的影響入口質(zhì)量流量為0.8g/s，外界環(huán)境溫度為298.15K時(shí)，不同流體入口溫度所對(duì)應(yīng)的電池組在1C、3C、5C放電的最高溫度如圖8所示，其中入口溫度為298.15～308.15K。圖8顯示隨著流體入口溫度的上升，電池最高溫度都相應(yīng)變大，冷卻效果越差，在入口流體溫度下降1℃時(shí)，相應(yīng)的電池最高溫度降低0.99℃。但入口溫度要下降，必然要使換熱器的換熱性能加強(qiáng)，所以整個(gè)散熱器的功耗也相應(yīng)變大，因此要選擇合理的入口溫度。

2.2.3流量變化對(duì)電池溫度的影響不同入口質(zhì)量流量，外界環(huán)境溫度和流體入口溫度為298.15K時(shí)，電池組在1C、3C、5C放電的最高溫度如圖9所示。電池組1C放電時(shí)，由于發(fā)熱量較小，入口流量的變化對(duì)電池組的溫度影響不大，曲線趨于水平。電池組3C放電，流量從0.8g/s到2.0g/s時(shí)，電池最高溫度下降比較快，大于2.0g/s時(shí)，溫度變化緩慢。電池組5C放電，流量小于2.4g/s時(shí)，隨著流量的增大，溫度迅速降低；在大于2.4g/s時(shí)，冷卻效果不太明顯，但曲線的變化率仍然要比1C、3C時(shí)大；在流量從0.8g/s增大到1.2g/s時(shí)，1C、3C、5C的最高溫度分別下降了1.22、4.45、9.18℃?？梢姺烹姳堵试酱髸r(shí)，流量的變化對(duì)溫度的影響越大。因此采用液體冷卻方法，能使電池工作在最佳的溫度范圍內(nèi)，特別是電池在大倍率放電時(shí)，通過改變流體入口流量，能有效控制電池的溫度。從入口處開始對(duì)5個(gè)單體電池編號(hào)為1、2、3、4、5，表1和表2分別為不同放電倍率及不同入口質(zhì)量流量條件下單體電池的最高溫度和單體電池的內(nèi)外溫差。從表1中可以看出，在相同放電倍率下，增大入口質(zhì)量流量可以有效降低電池的溫度，而且各單體電池之間的最高溫度總體較為均勻，電池之間最高溫度的溫差在1℃以內(nèi)。電池在5C放電，入口流量為4g/s時(shí)，單體電池2的溫度最高(307.67K)，最低的為單體電池5(307.29K)，最大溫差0.38K，可見單體電池之間溫度一致性較好。從表2可以看出各單體電池的內(nèi)外溫度差，在小倍率放電時(shí)，單體電池間的內(nèi)外溫差很小，隨著放電倍率增大，溫差也增大。入口質(zhì)量流量為0.8g/s，電池組1C放電時(shí)，2號(hào)電池的內(nèi)外溫差為0.63℃；在3C放電時(shí)，2號(hào)電池的內(nèi)外溫差為3.31℃；5C放電時(shí)，2號(hào)電池的內(nèi)外溫差達(dá)到7.22℃，這對(duì)電池性能和壽命有一定的影響，可見放電倍率越大，電池內(nèi)外溫差也越大。同時(shí)還顯示，隨著質(zhì)量流量的增大，電池組的內(nèi)外溫差有所下降，在5C放電時(shí)，能夠?qū)⒆畲蟮臏夭羁刂圃?℃以內(nèi)，但水泵所消耗的能量也相應(yīng)增大，因此可以通過有效的熱管理策略來控制電池的溫差，同時(shí)泵所消耗的能量最小。若把冷板的材料換成銅，在5C放電、入口流量為2.4g/s時(shí)，單體電池2號(hào)的最大溫差由5.47℃降到4.65℃，其電池的溫度為311.74K，電池的散熱性能有所改善。

3結(jié)論

(1)電池在在放電過程中，隨著放電倍率的增大，電池的發(fā)熱量也迅速增大，在小倍率放電時(shí)，發(fā)熱量變化不大，在5C放電時(shí)，電池的發(fā)熱量快速上升。(2)采用液體冷卻方法能有效降低電池表面的溫度，電池組之間最大溫度的溫差始終在1℃以內(nèi)，均勻性較好；然而單體電池內(nèi)外溫差較大，特別是在大倍率放電且流體入口質(zhì)量小時(shí)，最大溫差達(dá)到了7.16℃，這對(duì)電池循環(huán)壽命有一定影響。(3)電池組在大倍率放電時(shí)，單個(gè)電池內(nèi)外溫差也大，需要強(qiáng)有效的冷卻方案，可以通過增大質(zhì)量流量來降低溫度，從仿真結(jié)果可以看出，質(zhì)量流量越大，溫度下降越快，溫差也越小。(4)降低液體溫度，也可以有效降低電池組的溫度，然而散熱器本身功耗也相應(yīng)的增大，因此需要有效的熱管理策略，控制入口流體溫度和質(zhì)量流量，使得電池工作在合理的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)散熱器的能耗最小。

作者：鄧元望張上安鐘俊夫王兵杰單位：湖南大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載學(xué)院