1 熱管理的目標

鋰電池本身的工作特性對溫度非常敏感，想要獲得良好的性能發揮，維持較長的使用壽命，防止熱失控事故的發生，將溫度保持在鋰電池的理想工作範圍內非常必要。

電池包老化的主要原因是，電池原始特性差異的繼續分化。因此，保持電芯工作溫度的一致性，是對熱管理系統的另外一個要求。

對電芯熱特性模型的研究，除了在後續的熱管理系統中，提供冷卻裝置設計依據以外，也幫助電芯從設計開始，從源頭優化熱結構，避免溫度積累和局部過熱。

2 鋰電池風冷系統案例

侯大鵬等在其論文《車載鋰離子電池組的熱管理模擬》中，實驗和模擬了方形電池組自然冷卻和風冷的情形。

單體模型的建立

單體生熱模型採用簡化的Bernadi模型。根據Newman的電池生熱理論，電池反應過程中發熱，包含四個部分，反應熱、極化熱、歐姆內阻熱和副反應熱。而Bernadi模型，根據20-50℃階段，反應熱只佔總內阻熱量的1%，認為可以忽略不計。於是，電池的反應熱主要的來自於歐姆熱和極化熱，極化熱可以用極化內阻發熱的形式體現。Bernadi模型的總發熱等於歐姆內阻與極化內阻的和與電流平方的乘積。

單體傳熱模型的建立。案例認為，單體的傳熱包含兩個過程，一個過程是單體中心部位發熱，並在電芯內部擴散；另一個過程是，電芯的表面與空氣之間的熱量交換過程。

熱量在電芯內部的傳遞。方形電芯內部為層疊結構，熱量從中心，一層一層的向外傳遞，直至傳遞到電芯表層，再由表層向空氣中傳遞。於是，其熱傳導過程採用多層平壁熱傳導方法計算。傳熱率，與溫差、導熱係數和傳熱面積成正比，與傳熱層的厚度成反比。

熱量在電信表面與空氣之間的交換。熱量傳遞到電池表面，表面溫度高於周圍環境溫度，則熱量會通過對流的方式向空氣中傳播。根據空氣流動的動力來源不同，可以分成自然對流和強制對流，與自然冷卻和風冷相對應。電芯表面散熱這一場景，實際上還有熱輻射的過程，只是輻射的熱量在總體熱量中的佔比比較小，可以忽略。對流傳熱速率，與對流傳熱係數、對流傳熱面積和電信表面與環境的溫差成正比關係。

電池組模型

在電池組中，單體按照圖中的方式排列。自然對流條件下得出的結論是電芯內部溫度遠高於表面溫度，每個電芯的表面溫度近似。

風冷系統，如下圖所示。進風口和出風口設置在箱體的兩端。模擬過程中，先保持風量不變，不斷改變風口的尺寸，尋找最合理的空氣進出口面積。再保持最佳空氣進出口面積，調整風量，找到風量與電芯溫度的關係。案例結論是空氣進出口面積是電池側面積6倍的時候，效果最佳；風量越大效果越好，但過大的風量消耗過多能源，存在一個性價比最高的風量。

案例忽略因素的影響

案例沒有具體描述空氣流通的路徑。從示意圖不難看出，第三排電芯與箱體內空氣流動的大方向恰好垂直，而案例在前文有結論，認為電芯溫度最高的部位在中心，距離中心越近溫度越高。這部分電芯的冷卻效果不會特別理想。

案例認為電池包是一個密閉空間，沒有考慮電池箱體與外界熱交換的過程模型，電池箱體材質和詳細機構沒有做過多交代。實際應用中，外圍電芯溫度會低於中心電芯溫度。

參考

1 侯大鵬，車載鋰離子電池組的熱管理模擬

2 黃瑞，圓柱型鋰離子電池組熱狀態分布與布置方式研究

3 姜水生，鋰離子電池放電過程瞬態生熱特性分析

4 周慶輝，基於Fluent的鋰離子動力電池的熱分析

（圖片來自互聯網）

推薦閱讀：