锂电池对称风冷系统热管理设计与仿真

   摘    要   

锂离子电池的温度监测对于先进的电池热管理系统（BTMS）来说至关重要，以提高性能并确保电池系统的操作安全性和可靠性。在真实的应用中，由于将传感器放置在核心内部的不切实际性，电池的核心温度是不可测量的，但又必须实时地在线估计。同时，在大功率应用中，由于电池表面与内部温度梯度较大，仅测量电池表面温度已不能满足先进BTMS的要求。当遇到传感器偏差和噪声时，电池芯温度估计将变得具有挑战性。为了提高电池核心温度估计的准确性和稳定性，采用基于Rauch-Tung-Striebel平滑技术和Unscented Kalman滤波的方法对电池核心温度进行重构，以应用于电池管理系统，平滑处理可以有效地进一步减小其估计误差。通过优化辨识出非线性热模型中的不可测参数。电-热耦合模型通过实验和CFD模拟进行了验证。仿真结果表明，不同电芯温度的平均误差小于1K。

01  前    言 

电池是汽车的动力来源，为行驶中的汽车提供动力，并确保电动汽车各种仪器的正常运行。

目前，锂离子电池因具有体积小、能量密度高、使用寿命长、自放电率低和无记忆效应等优点，被广泛用作电动汽车的动力电池。但是，锂离子电池会产生很多热量，电池组中容易形成热量的积聚，导致每个电池单元的性能和寿命受损，甚至可能发生热失控。随着科技的发展，锂离子电池的能量密度越来越高，电动汽车的续航里程增加，但每单位时间产生的热量也更多，这会导致电池组温度分布不均，局部出现过热的情况。

无论使用哪种形式的锂离子电池，在大功率放电的情况下都会存在热失控的问题，国内许多学者对这种现象进行了相关研究。杨研究了电动汽车动力锂离子电池的放电机制，并研究了强制风冷下不同排列电池的特点。陈凯研究了对称排列电池散热结构对电池组的影响。范义钱发现，更整齐地排列系统有助于实现最佳的温度均匀性和最低的能量消耗。佩萨拉·艾哈迈德设计了一种具有平行和串联流的空气冷却电池热管理系统。比较表明，具有平行流的系统获得更小的电池温差。Gyouhou等人提出了一种基于物理的神经网络（LSTM-PINN），用于估算锂离子电池组的温度，并发现当电池温度变化范围较大时，LSTM-Pinn模型的预测误差比LSTM模型小。

为防止电池热失控的发生，需要对电池组进行有效的热管理控制，实现高温散热和低温加热的功能。其中，气冷成本相对较低，应用范围较广。因此，本研究建立的仿真模型以气体为冷却介质，研究串、并联及串并联结合情况下冷却风道结构的散热效果。

02  物理模型

电池单体的热分析是优化电池组散热的基础，因此首先要建立合适的电池单体产热模型。从散热的角度来看，圆柱电池具有先天的优势，这是由于圆柱电池之间的包装形成了良好的散热空间。因此，一些配备圆柱电池的车辆采用了成本较低的空气冷却技术，本文也选择了NCR18650PF圆柱形锂电池进行热仿真分析和优化。

目前，行业使用电池放电倍率C来衡量放电速度，并定义1C为电池在1小时内完全放电时的电流强度。如果一个标称容量为2700mAh的18650电池在1小时内以1C的强度放电，则放电电流为2700mA。在纯电动汽车的实际行驶过程中，设计的电池单元要求能够持续承受1C倍率的恒定电流放电，而高于1C的高放电倍率时间较短，通常是加速阶段，长时间的高倍率放电也会给纯电动汽车的电池组带来安全隐患。因此，本文将研究电池在0.5C、1C、1.5C、2C放电倍率下的产热情况，产热时间设定为电池SOC从0.9下降到0.2所需的时间，将电池作为恒定的内热源。

 03  仿真模拟准备  

锂电池风冷模型内部为五串三并的电池组组成的加热元件，每个电芯的间距设置为4mm，由两个上方的进风口和两个下方的出风口组成。进风口尺寸为74mm×18mm，出风口尺寸为58mm×14mm，两侧有散热孔，整个电池组工作在一个半封闭的环境中，每个电池的产热速率设置为相同，风冷通道的整体结构如图1所示。

图1 对称布置的气冷BTMS原理图

       在仿真分析之前，以上模型根据fluent meshing Workflow(WTM)进行网格划分。在网格参数设置方面，选择双精度并行计算，有利于提高仿真计算速度。在电池表面添加局部尺寸控制，对出风口网格进行细化，并在交界面处设置边界层，填充Poly-Hexcore体网格以保证计算精度，系统中网格单元如图2所示。

图2 气冷式BTMS电网系统示意图

       为提高模拟计算速度，同时保证模拟结果的准确性，本文对网格独立性进行了检验。利用ANSYS FLUENT软件设置电池放电速率为2C，进风口风速为3m/s。以电池组最高温度和温差作为评价指标。结果表明，当网格单元数量大于2.7×105时，Tmax和ΔTmax的差异均不超过0.01K，因此后续研究采用该网格数量进行模拟。

   04 结构设计   

进风口倾斜度

进风通道倾角的大小关系到电池组内空气流动的均匀性，若倾角过小，会导致空气进入内部后几乎平铺在电池单体的上表面；而倾角过大也会相应地增加制造成本和空间尺寸。因此，本文探讨进风角度对电池散热的影响，将进风与水平面的夹角从4°逐渐增加到14°，如图3所示为进风角度变化对散热效果的影响。分析表明：随着进风通道倾角的增大，空气与电池间的对流换热效果增强；但增加至9°～10°时，温降趋势不再明显，因为进风角度的增加不仅会占据更多空间，还会提高制造成本，故本文选用倾角为10°的风冷模型。

图3 进风口倾角对电池散热的影响

进风口倾斜度

可以看出，对称式散热结构优于非对称式散热结构，因此将模型分为四种类型：两进两出(BTMS I)；一进两出(BTMS II)；两进一出(BTMS III)；一进一出(BTMS IV)。为进行单变量研究，将每组实验的电池组设置为以2C放电速率、298K室温工作，风道总进风体积为8×10-3 m3/s，通过逐一模拟，可以得出图4所示的进、出口布置对散热的影响。

图4 四种BTMS的温度分布（Q0=8×10-3 m/s3）

可以看出，进、出风口管道的布局对电池组的整体温度分布有显著影响：对称分布的模型温度呈现出内高外低的特点；不对称分布又可细分为两种情况，当进风口不对称时，温度较高部位会集中在进风口附近；若出风口不对称，温度较高部位则远离出风口集中。
从图5中四种BTMS的温度对比可知，最低温度均在300 K～301 K之间，说明电池组的最低温度更多地与室温（298 K）相关，进、出风口布置对其影响较小。从电池最高温度的变化情况来看，对称布置的模型（BTMS I）的最高温度要低于其他所有不对称模型。在另外三种不对称模型中，出口不对称对温度的影响要大于进口不对称，而单进单出模型（BTMS IV）的最高温度要明显高于其他三组。

图5 四种btms的温度比较

空气导向板

分析风道结构可知，气体从进风口进入中心腔体后，经过两次截面面积变大、变小，流速降低，再加之电池包自身形状的阻挡，造成靠近气、电池包的气流速度小于进口风速，最终导致气、电池表面换热不均匀，影响最终散热效果，因此需要在中间加装导流板以减小上述影响。针对该模型设置了两组模拟：加装中间导流板与不加装中间导流板。对比图6（a）和6（b）可以看出，加装导流板前整个电池包温度最高区域集中在电池底部，该部位与空气对流散热效果差、换热性能差，导致该部位温度明显高于电池整体，影响电池工作寿命及性能；然而在中间加装两块导流板后，不仅电池包整体温度降低，底部冷却效果好，而且整个电池包温度最高区域也移动到电池中部，也符合锂电池本身的散热效果。对比图6（c）和6（d）可以看出，由于加装了导流板，风道主体部分扩张导致进风口处风速降低，而出风口处风速也相应增加，从而加强了整体结构的散热效果。

图6 导流板对散热结构的影响

图8 串联风道温度分布

图9 本文设计风管的温度分布

如图10所示，在相同进风速度下，平行风道与本文所设计的风道相比，电池的最大温差要大7.26K，而本文所设计的风道可以将最大温差降低到4.68K，且电池包温度处于300K~306K之间，基本满足锂离子电池工作时的温度控制要求。

图10 本文设计风道的温度分布

 06  结    论