18650动力锂电池组热管理系统性能优化研究

徐隐凤 廖智伟

重庆交通大学机电与车辆工程学院 重庆市 400074

1 单体锂电池热效应模型

1.1 锂电池生热速率

锂电池在充放电过程中，电池生热的同时有各种化学反应发生，主要的放热反应有电解液分解、负极的热分解及其与电解液的反应、正极的热分解及其与电解液的反应以及SEI膜分解反应等化学反应及其副反应[13-14]。此外，电池中有电流通过时，内阻会产生一部分焦耳热。根据Bernardi等[13]提出的电池生热速率模型，认为热量来源主要包含焦耳热和反应热，如公式1所示，式中括号内第一项代表焦耳热，为不可逆过程生热，第二项为反应热，为可逆过程生热，根据充放电取不同符号。

式中Qt为单体电池的总生热速率；I为流经单体电池的电流；Eoc为电池的开路电压；U为电池的工作电压；T为电池的开氏温度；Vb为单体电池体积；Rr为锂电池内阻。

1.2 锂电池传热控制方程

单体18650锂离子电池的生热过程是一个典型的非稳态热传导过程，为了方便模型的建立，针对圆柱锂电池做以下假设：

（1）电池内部电解液几乎不流动，忽略电解液的对流换热作用；

（2）忽略电池内部辐射对温度的影响；

（3）单体电池的热物性参数（不包括欧姆内阻）在实验中为定值

（4）电池内部各种材料各向同性，物理性质均一；

（5）电池内部发热均匀。

基于以上的条件假设，由直角坐标系下导热微分方程的一般形式得到模型的控制方程：

下式3.1所示：

式中

q为电池的生热速率，单位：W；

ρ为电池的平均密度，单位：kg/m3；

Cp为电池比热容，单位：J/K；

λ为电池内部导热系数，单位：W/（m·K）。

2 数值模拟及试验设计

2.1 锂电池组模型设计

选用动力锂电池采用四串五并连接成电池组模块，该电池组由 20 颗电池组成，图1为动力锂离子电池模组三维模型，整个电池组共有20个18650电池，12条圆形空气冷却流道为电池模组散热，整个电池组模块材料为铝，每条圆形流道的直径为5mm。

（a）动力锂离子电池模组几何模型

表1 电池物理参数

2.2 正交试验设计

影响锂电池组峰值温度的因素有很多，本文主要选择空气初始温度，电池模组的对流换热系数，空气流速为影响因素。这三个个因素之间的交互作用很小，可以认为因素之间不存在交互作用，本实验共三个实验因素，每个实验因素取三个水平，其取值情况如表2。

表2 正交设计因素和水平表

3 正交试验方案与结果

此试验为三因数水平试验，不考虑交互作用，三因素共占三列，选L9（34）最合适，并有1空列，可以作为试验误差以衡量试验的可靠性。

根据图5.3所示的L9（34）交互作用表，得到本文试验方案如下表3所示。

表3 正交试验方案与结果

3.1 峰值温度结果分析

3.1.1 极差分析

极差数值的大小显示的是各因素对指标影响的程度。数值越小，表示指标受此因数的影响不大，此因数重要程度不高。相反极差数值越大，则指标受此因数的影响较大，因素比较重要。本次试验的各影响因素的极差值如表4所示，根据极差数值的大小表示了因素的重要程度：空气流速＞空气初始温度＞对流换热系数。

表4 峰值温度试验结果总和、均值及极差

表5 方差分析表（峰值温度）

3.1.2 方差分析

方差分析目的是为了对试验指标区别判断误差和因素，这样能表现每个因素对指标的影响力。在本节方差分析时取显著水平=0.05和0.1，置信区间为90%和95%，结果如表5所示。

根据极差分析和方差分析，对于电池组的峰值温度空气流速对电池组峰值温度影响最大，根据流速的增加而呈现出减少的趋势。主要原因是因为电池组的中央部分的电池单体散热效果不好，而空气流道分布在电池模组中间位置，空气冷却能够带走部分热量，这样会使得电池组峰值温度变低。

最优方案312K的空气初始温度；3W/（m2/K）的对流换热系数；3m/s的空气流速。通过Fluent软件仿真得到电池组模块的温度场结果如下图所示，其峰值温度为313.006℃，此时整个电池组峰值温度最低。