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摘 要：通過熱仿真技術(shù)對某款電池包進(jìn)行散熱性能優(yōu)化研究，旨在提升電池安全性與使用壽命。 利用ANSYS 軟件構(gòu)建電池包熱仿真模型，并在1C 倍率放電條件下開展溫度分布分析。 結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)際測量數(shù)據(jù)誤差在0.5 ℃以內(nèi)，仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。 提出了工字形散熱板和導(dǎo)熱膠填充兩種散熱優(yōu)化方案，結(jié)果表明，兩種方案均能有效提升電池包的散熱性能，電芯最高溫度分別下降6.0 ℃和5.9 ℃；工字形散熱板方案在降低電芯溫度的同時(shí)顯著減小溫差，提升了溫度均勻性。

關(guān)鍵詞：鋰電池； 電池包； 電芯； 熱仿真； 散熱； 電芯溫度； 電芯溫差；21700 圓柱電池； 電池?zé)峁芾?/span>

隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，推動(dòng)汽車節(jié)能技術(shù)發(fā)展、減少交通能源對石化能源的依賴并降低空氣污染，已成為重要研究方向之一［1］。 新能源汽車在能量轉(zhuǎn)換效率和碳排放方面相較傳統(tǒng)燃油汽車具有顯著優(yōu)勢［2］，因此，新能源汽車替代燃油車的趨勢已不可逆轉(zhuǎn)［3］。 鋰離子電池憑借其較高的能量密度，廣泛應(yīng)用于新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)［4］。 然而，鋰離子電池的熱安全問題較為突出，提升其散熱性能、確保其安全性并延長使用壽命，已成為當(dāng)前科研工作的重點(diǎn)［5］。 熱仿真技術(shù)在電動(dòng)汽車熱管理方面具有重要作用，如整車級(jí)、系統(tǒng)級(jí)及電芯級(jí)的熱管理優(yōu)化，涉及不同散熱方式與電池產(chǎn)熱模型的復(fù)雜分析。 尤其是在電芯級(jí)別的熱管理中，必須綜合考慮電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)、放熱和熱失控等關(guān)鍵因素［6］。 電池模型算法如基于物理原理的熱傳導(dǎo)模型和經(jīng)驗(yàn)公式模型等，被廣泛用于描述電池的熱特性［7］。 通過熱仿真能夠模擬電芯在充放電過程中的溫度分布［8］，有效預(yù)測潛在的熱失控風(fēng)險(xiǎn)，為電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)［9］，這有助于優(yōu)化電池的散熱結(jié)構(gòu)，提高其循環(huán)壽命和安全性，從而增強(qiáng)整車系統(tǒng)的可靠性和安全性［10］。

電池?zé)岱抡婕夹g(shù)［11-15］通過構(gòu)建電池的熱傳導(dǎo)模型，并采用有限元等數(shù)值計(jì)算方法，已廣泛應(yīng)用于模擬電池充放電過程中的傳熱規(guī)律［16］。 隨著計(jì)算技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，特別是其在多物理場耦合仿真和多尺度建模方面的發(fā)展，為電池的熱分析提供了更加全面的理論支持［17］。 本文基于某款電池包，借助ANSYS 軟件進(jìn)行了熱仿真分析，評估了電池包內(nèi)間距和散熱裝置對散熱性能的影響。

1 電池包材料及結(jié)構(gòu)

1.1 電池包的選材

電池包由電芯、鎳片、外殼和電池管理系統(tǒng)（BMS）板組成，電池包在設(shè)計(jì)時(shí)不僅要滿足功率和容量等性能指標(biāo)，還需滿足電芯使用安全指標(biāo)。 本文選用某21700 型號(hào)電芯，電芯容量5.00 Ah，標(biāo)準(zhǔn)電壓為3.63 V，最高電壓4.30 V，截止電壓2.50 V。 電池包使用的主要材料物性參數(shù)如表1 所示。

表1 電池包使用的主要材料屬性
Table 1 Material properties of battery pack

1.2 電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池包由130 顆21700 圓柱電池采用串并聯(lián)方式組成，其中串聯(lián)電芯數(shù)量為13，并聯(lián)電芯數(shù)量為10。初始設(shè)計(jì)中電芯分為上、下兩層，電池包結(jié)構(gòu)如圖1 所示，上、下兩層通過導(dǎo)線連接。電芯通過支架固定，并與多塊鎳片通過電焊連接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，隔離板布置在鎳片上方起絕緣作用。

圖1 電池包幾何結(jié)構(gòu)
Fig.1 Battery pack geometry

2 有限元模型的建立

本次仿真中利用ANSYS 軟件構(gòu)建鋰離子電池包的熱仿真模型，電池包總單元數(shù)為29 622 391，所建立的網(wǎng)格模型如圖2 所示。 在仿真過程中設(shè)置電池以恒定的1C 倍率進(jìn)行放電。 在模擬過程中，電池的內(nèi)阻及電壓隨溫度和荷電狀態(tài)（SOC）的變化而動(dòng)態(tài)調(diào)整。此次仿真忽略了電芯內(nèi)部反應(yīng)熱的影響，以簡化模型的計(jì)算復(fù)雜度。

圖2 鋰離子電池包網(wǎng)格模型
Fig.2 Grid model of lithium-ion battery pack

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過電池包設(shè)計(jì)圖紙制作電池包樣品，如圖3（a）所示。 在電池包中選取電芯1 和電芯2 布置NTC 采樣點(diǎn)（如圖3（b）所示），NTC 采用熱電偶溫度傳感器利用塞貝克效應(yīng)直接測量電芯溫度，并通過數(shù)據(jù)采集儀放大和轉(zhuǎn)換熱電偶的輸出信號(hào)。 實(shí)驗(yàn)初始溫度為32 ℃，進(jìn)行1C 放電，因?qū)嶋H設(shè)計(jì)中BMS 策略控制，1 600 s 后電池包電流隨BMS 溫度超限而變化，所以只對比前1 600 s 內(nèi)兩顆電芯溫升變化。 實(shí)驗(yàn)中測得電芯1 和電芯2 溫度分別為44.0 ℃和44.1 ℃。 使用ANSYS 軟件建立的電池包熱仿真模型模擬1C 放電1 600 s，仿真結(jié)果如圖3（c）所示，電芯1 和電芯2 溫度分別為43.9 ℃和44.3 ℃。 可知電芯1 和電芯2 仿真模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量值誤差在0.5 ℃以內(nèi)，因此本案例中建立的電池包熱仿真模型與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

圖3 電芯以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
Fig.3 Cell and experimental verification results

3.2 1C 常溫仿真工況分析

該款21700 型號(hào)電芯工作溫度范圍為－20 ～60 ℃，因此在實(shí)際使用過程中，需要確保電芯的最高溫度不超過這一上限。 如圖4 所示，在初始溫度32 ℃條件下，進(jìn)行1C 放電時(shí)，電池放電3 600 s 后，電芯溫度分布云圖呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：中心區(qū)域溫度較高，周邊區(qū)域溫度較低。 圖4（b）和圖4（c）則顯示，上層電芯的溫度高于下層電芯的溫度；其中電芯的最低溫度為55.9 ℃，位于上層電芯的外沿；電芯的平均溫度為58.1 ℃；電池包內(nèi)溫差為3.6 ℃，溫度分布較均勻。

圖4 初始設(shè)計(jì)電池包溫度分布特性
Fig.4 Distribution characteristics of temperature in initial battery pack design

4 電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)

由初始仿真結(jié)果可知，初始溫度32 ℃時(shí)，電芯最終時(shí)刻最高溫度59.5 ℃，電池包處于夏季高溫環(huán)境下，電芯溫度可能超過使用上限溫度60 ℃，存在較大風(fēng)險(xiǎn)，為拓展電池包使用范圍，需要優(yōu)化散熱。 考慮增加散熱加強(qiáng)板和在電池內(nèi)部增加導(dǎo)熱膠對電池進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 散熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)

在兩層電芯連接處加入工字形隔離板，延伸散熱鋁板至電池外殼（散熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案1），如圖5所示。

圖5 散熱板優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖
Fig.5 Diagram of optimized heatsink structure

圖6展示了優(yōu)化方案1 在1C 倍率下電芯溫度分布云圖。 與初始工況溫度分布對比可知，上層電芯溫度顯著降低，外圈溫度低于下層電芯溫度，工字形散熱板有利于將電芯產(chǎn)生的熱量向外導(dǎo)出，外殼溫度上升。 電池包內(nèi)電芯最高溫度為53.5 ℃，最低溫度為50.8 ℃，電芯平均溫度為52.8 ℃，溫差為2.7 ℃，可知工字形散熱板具有較好的均衡溫差，且有效降低電芯溫度。

圖6 優(yōu)化方案1 電芯溫度分布云圖
Fig.6 Temperature distribution contour plot of cells for optimization scheme 1

4.2 灌膠優(yōu)化設(shè)計(jì)

在電池包內(nèi)部填充導(dǎo)熱膠能夠降低電池溫升，因此在BMS 以下填充導(dǎo)熱膠（填充區(qū)域如圖7 粗線框區(qū)域所示），形成優(yōu)化方案2。 圖8 為優(yōu)化方案2 在1C倍率下放電3 600 s 后的電芯溫度分布云圖。 如圖8 可知，電芯溫度大幅度降低，其中最高電芯溫度53.6 ℃，最低溫度為47.4 ℃。 與初始方案溫度分布云圖對比可知，下層電芯溫度顯著降低，電芯通過空間內(nèi)填充的導(dǎo)熱膠將熱量傳遞至外殼，空間溫度上升。

圖7 灌膠方案示意圖
Fig.7 Schematic diagram of encapsulation scheme

圖8 優(yōu)化方案2 電芯溫度分布云圖
Fig.8 Temperature distribution contour plot of cells for optimization scheme 2

4.3 優(yōu)化方案對比分析

對2 種優(yōu)化方案的模型以及原始模型的溫度進(jìn)行分析，如圖9 所示。 在1C 倍率下放電，相比初始工況，優(yōu)化方案1 和2 的電芯最高溫度分別下降6.0 ℃和5.9 ℃，電芯平均溫度分別下降5.3 ℃和7.3 ℃。 優(yōu)化方案1 溫差為2.7 ℃，優(yōu)化方案2 溫差為6.2 ℃。 方案2平均溫度下降更多，但方案1 溫差更小、均溫性更好。電池壽命與溫差密切相關(guān)，推薦使用優(yōu)化方案1。

圖9 優(yōu)化前后結(jié)果對比
Fig.9 Comparison of results before and after optimization

5 結(jié)論

1） 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好吻合，驗(yàn)證了本文熱仿真分析方法的合理性；該模型可用于指導(dǎo)電池包前期設(shè)計(jì)，減少工程制造成本。

2） 該電池包采用工字形散熱板方案和灌膠方案都能夠降低電芯最高溫度，但工字形散熱板優(yōu)化方案能夠降低電芯溫差，因電池壽命與溫差相關(guān)，從電池包使用壽命出發(fā)，推薦使用工字形散熱板優(yōu)化方案。