锂电池烘箱结构设计及流体仿真分析

Structure Design and Fluid Simulation Analysis of Lithium Battery Oven

摘要: 本文以锂电池加热烘箱为研究对象，使用SolidWorks对锂电池加热烘箱进行了三维建模和简化处理，在Flow Simulation模块中基于$k-\epsilon$ 湍流方程完成了对烘箱进行了流体仿真，重点探讨了烘箱内部气流与温度分布对磷酸铁锂电池板加热效果的影响。在实验中，设定进风口温度为60℃，对磷酸铁锂电池板进行了20分钟的加热，其中0~800秒的风量为12 m³/s，800~1200秒的风量为8 m³/s。通过流体仿真，获得了锂电池板表面的温度分布图，以及烘箱内部的流线温度图、速度图和压力图。结果表明，在上述条件下，烘箱内锂电池经过20分钟加热后，最低温度为37.17℃，最高温度为52.33℃，满足产品设计要求，证明此烘箱结构设计合理，且这一研究为进一步优化锂电池加热烘箱的结构设计提供了重要的实验依据。

Abstract: Taking the lithium battery heating oven as the research object, this paper uses SolidWorks to conduct three-dimensional modeling and simplified processing of the lithium battery heating oven, and completes fluid Simulation of the oven based on turbulence equation in the Flow Simulation module. The influence of air flow and temperature distribution in oven on the heating effect of lithium iron phosphate panel is discussed. In the experiment, the inlet temperature was set to 60˚C, and the lithium iron phosphate panel was heated for 20 minutes, in which the air volume was 12 m³/s for 0~800 seconds and 8 m³/s for 800~1200 seconds. Through fluid simulation, the temperature distribution diagram of the surface of the lithium panel, and the flow line temperature diagram, velocity diagram and pressure diagram inside the oven are obtained. The results show that under the above conditions, after heating the lithium battery in the oven for 20 minutes, the lowest temperature is 37.17˚C, and the highest temperature is 52.33˚C, which meets the requirements of product design, proving that the structural design of the oven is reasonable, and this study provides an important experimental basis for further optimizing the structural design of the lithium battery heating oven.

1. 引言

在当今新能源行业的迅猛发展中，锂电池的诞生具有划时代的意义。相较于传统的铅酸电池，锂电池展现出多项显著优势：它们在使用后不会产生环境污染，同时具备更大的储能容量、更高的放电功率、更稳定的电压输出、不存在记忆效应，并且拥有更长的使用寿命[1]。这些特性使得锂电池在新能源领域中占据了举足轻重的地位。

锂电池主要由正负极极片、隔膜及电解液组成，其中极片结构在涂布后的干燥环节是整个生产过程中最重要的一环，干燥过程中极片的缺陷将直接影响后续电池成品的质量[2]。不仅如此，自身温度也会直接影响锂电池的工作性能，较低温度情况下的锂电池化学反应速率会减缓，这不仅影响其充放电能力，还可能减少电池的有效容量，加快电池的衰老速度，因此维持适宜的温度范围对于锂电池的高效能至关重要[3]。

烘箱是锂电池极片干燥和加热的重要设备，程千驹[4]等通过建立烘箱静压风室三维模型，并利用FLUENT软件进行数值仿真，优化导流板尺寸，显著提高了热风射流速度的均匀性，满足锂电池极片烘干的一致性要求。袁文华[5]等通过流体仿真优化了烘箱风刀，改善了极片表面流场均匀性，防止了干燥不均，提高了锂电池生产效率。刘腾[6]通过数值仿真优化悬浮式烘箱的风嘴结构，解决了出风均匀性差的问题，优化设计显著改善了基材表面的风速与温度分布，提高了干燥效果，并通过实验验证了仿真结果的准确性。林彰焱[7]等通过实验和仿真分析，探究了超宽幅烘箱的风室和风嘴结构设计对射流横向均匀性的影响，优化了锂电池涂布机烘箱的风室和风嘴结构，提升了横向射流均匀性，为超宽幅烘箱提供了数据支持。陈喆[8]研究了低温下锂离子电池的放电加热，通过实验与仿真建立温升模型，优化容量衰减与加热时间的目标函数。结果表明，优化加热电流能显著降低加热时间和容量衰减，减少电量消耗。匡智伟[9]等针对储能用高容量锂离子电池的低温加热问题，研究提出了利用电热膜快速加热方法，发现电池的温升速率与加热膜输入功率之间呈现出线性关系，这对储能设备的热管理技术开发及优化等具有一定的参考意义。

本文以一种锂电池加热烘箱为研究对象，基于流体仿真软件Flow Simulation模拟了烘箱对磷酸铁锂电池板的加热过程。通过实验分析烘箱内部流场状态及电池板表面温度，确保在加热后电池板表面温度达到要求范围。该研究旨在为后续锂电池加热烘箱的结构优化提供依据。

2. 模型建立

2.1. 物理模型

图1展示了烘箱的模型示意图。该烘箱的外壳采用A3冷轧钢板，整体尺寸为：长度3250 mm，宽度2390 mm，高度1720 mm。风循环采用上吹左右回收的内循环方式。热风由三个5.5 kw的风机带入，通过风道、孔板送风口进入烘箱内部，为了有效引导气流并实现热风的均匀分布，导流板的角度设置为45˚，这有助于减少气流死角和热量聚集现象。空气经过加热后在风机的作用下以一定的速度通过入风口进入风室，经过充分的匀流，通过导流板和风口调节与电池板进行接触并进行加热。加热后的空气再穿过隔板进入下风道，最终从下风道口流出，与新空气混合后继续由入风口进入风室。

Figure 1. Oven model diagram

图1. 烘箱模型示意图

SolidWorks的Flow Simulation模块是一款CFD工具，能模拟流体流动和热传递，帮助工程师分析复杂几何中的流动特性，优化设计效果。由于使用Flow Simulation仿真前需要对模型进行预处理，即删除对仿真结果没有影响或影响较小的零部件和特征，所以在本烘箱模型中，可删除对仿真结果没有影响的风机、输送架板、底部托盘、活动门、螺栓孔等，预处理后的烘箱示意图如图2所示：

Figure 2. Schematic diagram of oven model after pretreatment

图2. 预处理后的烘箱模型示意图

磷酸铁锂电池，正极材料为橄榄石型LiFePO4，负极常用石墨，具有高安全性、长循环寿命和宽温度范围等优点。此次设计中待加热的磷酸铁锂电池板结构如图3所示，该电池板整体尺寸为：长度1727 mm，宽度1170 mm，高度95 mm，电芯为圆柱形电芯，数量为960个，单个圆柱电芯重425克。

Figure 3. Schematic diagram of lithium iron phosphate panel

图3. 磷酸铁锂电池板示意图

电池外壳采用Q235材料，厚度为1 mm，顶部为Ni-SPCC材料，厚度为1 mm，内部为各向异性材料。具体材料参数如表1所示：

Table 1. Battery parameter

表1. 电池参数

密度	比热容	传导类型	热导率	压力
3270 kg/m^3	550 J/(kg*K)	各项同性	20.3 W/(m*K)	102,225 Pa

2.2. 数学模型

热空气在烘箱的风室内通常呈现充分发展的湍流状态，尤其是在导流板的影响下，热空气流动时不会产生强烈的漩涡或显著的壁面弯曲等现象。因此，可以使用标准的$k-\epsilon$ 湍流模型进行求解。

在标准的$k-\epsilon$ 湍流模型中，$k$ 和$\epsilon$ 是两个基本未知量，与之对应的运输方程为：

$\frac{\partial \left(\rho k\right)}{{\partial }_t}+\frac{\partial \left(\rho k{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_k}\right)\frac{\partial k}{\partial x_j}\right]+G_k+G_b-\rho \epsilon -Y_M+S_k$ (1)

$\frac{\partial \left(\rho \epsilon \right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\rho \epsilon u_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[\left(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\sigma }_{\epsilon }}\right)\frac{\partial \epsilon }{\partial x_j}\right]+C_{1\epsilon }\frac{\epsilon }{k}\left(G_k+C_{3\epsilon }{G}_b\right)-C_{2\epsilon }\rho \frac{{\epsilon }^2}{k}+S_{\epsilon }$ (2)

式中，$G_{\text{k}}$ 为由于平均速度梯度引起的湍动能$k$ 的产生项，$G_b$ 为由于浮力引起的湍动能$k$ 的产生项，$Y_M$ 为可压缩湍流膨胀影响系数，${\sigma }_K$ 和${\sigma }_{\epsilon }$ 分别是与湍动能$k$ 和耗散率$\epsilon$ 对应的Prandtl数。

2.3. 主要参数设置

此次烘箱仿真实验中，风机的总送风风速与时间的关系如图4所示。对于整体的烘箱流场计算，选用入口速度和压力出口为边界条件。风机出风口温度60˚，入口风速0~800秒的风量为12 m³/s，800~1200秒的风量为8 m³/s，排风口的边界条件设为压力边界条件，压力大小为102,225 pa。

Figure 4. Wind speed-time plot

图4. 风速–时间图

2.4. 测试点位置示意图

此次实验中将锂电池板设置13个测温点，如图5所示。这样做的目的是为了能够全面监控温度分布，更好的观察电池板加热后的状态。

Figure 5. Temperature measuring point location distribution diagram

图5. 测温点位置分布图

3. 仿真结果与分析

3.1. 电池表面温度分布分析

图6展示了锂电池板在烘箱加热过程中13个测温点的温度变化情况，在20分钟的加热周期内，各测温点的温度均呈现上升趋势。初始阶段(0~800秒)，风量为12 m³/s，温度上升较快；在800~1200秒期间，风量减小至8 m³/s，温度上升速度有所减缓。

Figure 6. Chart of temperature variation at 13 temperature measuring points

图6. 13个测温点温度变化图

Table 2. The extreme temperature of the temperature measurement point at different times and its location

表2. 测温点在不同时间的极限温度及其位置

物理时间/s	最高温度测温点	最高温度	最低温度测温点	最低温度
60	11	24.52	7	20.54
120	13	27.62	7	21.40
180	13	31.47	9	22.53
240	13	34.69	9	23.44
300	13	37.67	9	24.32
360	13	40.02	9	25.21
420	13	42.04	9	26.16
480	13	43.74	9	27.14
540	13	45.33	9	27.97
600	13	46.53	9	28.81
660	13	47.48	9	29.65
720	13	48.46	9	30.63
780	13	49.38	9	31.66
840	13	49.49	7	33.19
900	13	49.34	7	34.19
960	13	49.94	7	34.95
1020	11	50.63	7	35.55
1080	11	51.26	7	36.06
1140	13	51.72	7	36.56
1200	11	52.33	7	37.17

表2展示了加热过程中每间隔60 s磷酸铁锂电池板上最高温度、最低温度以及这些温度值对应的测温点位置，由分析数据可以发现，最高温度通常出现在测温点11和测温点13，而最低温度则主要出现在测温点7和测温点9。加热20分钟后，最高温度为52.33˚，最低温度为37.17˚。

图7直观的展示了锂电池板加热过后表面的温度分布状态，由该图可以看出，锂电池板中心部位的电池温度大多在41˚~46˚，只有边缘少数电池温度达到了50˚以上，造成该结果的原因可能是烘箱内的热风循环可能在边缘区域形成循环路径，使得热量在这些区域更容易积累。

Figure 7. Panel surface temperature profile

图7. 电池板表面温度分布图

这两张图表明烘箱内部温度分布均匀，加热效果良好，满足产品设计要求，但同时也指出了可能需要进一步优化气流分布，以减少表面温度差异，确保更均匀的加热效果。这对于提高锂电池的生产质量和效率至关重要。

3.2. 烘箱内部流场分析

图8、图9展示了烘箱加热过程中内部的气体流动情况。从图8左侧视角图可以看出气体从进风口进入烘箱内部以及流出时的速度大小以及变化情况，图9从前侧视角更方便看出气体在烘箱内部的分布状况。流线的颜色代表风速的大小，流线的疏密程度则代表风量。

从图8、图9可以看出，空气从风机流出后速度达到最大值。随后，气流经过导流板进入烘箱，与锂电池板接触并进行加热。在此过程中，气流速度逐渐降低。待热空气完成对电池板的加热后，气体通过带有缝隙的隔板流出，从箱体下方回流到加热室外，由于存在一定的压力差，气流速度在这一阶段有所微升。

Figure 8. Streamline velocity map (side view direction)

图8. 流线速度图(左侧方向)

Figure 9. Streamline velocity map (front axial direction)

图9. 流线速度图(前轴测方向)

Figure 10. Streamline temperature diagram

图10. 流线温度图

Figure 11. Flow line pressure diagram

图11. 流线压力图

图10是烘箱内部的流线温度图，展示了气流的温度分布。图中颜色由蓝色(较低温度)渐变到红色(较高温度)。高温区域主要集中在烘箱的上部和风机出口附近，表明热空气从风机流出后聚集在烘箱顶部，流线由密到疏且分布逐渐均匀，这说明导流板的设计合理，有助于优化气流分布。相对而言，低温区域则位于底部和出风口附近，这说明热空气在循环路径中有效地对电池板进行了加热。

图11是烘箱内部的流线压力图，展示了气流的压力分布。从图中可以看出，在加热过程中气流的压力变化较小，分布相对均匀。这种均匀的压力分布确保了内部压力场的平衡，有助于维持烘箱内部气流的稳定性，并减少因压力差异引起的气流紊乱。

4. 结论与展望

本文通过对磷酸铁锂电池板加热烘箱的三维建模和流体仿真分析，深入研究了烘箱内部气流与温度分布对磷酸铁锂电池板加热效果的影响。仿真结果表明，在设定的进风口温度60℃和特定的风量条件下，烘箱内锂电池板经过20分钟加热后，最低温度达到37.17℃，最高温度为52.33℃。其中电池板表面温度分布图表明，电池板中心温度较为均匀，而在边缘区域出现少数较高温度，推测是热风循环在边缘形成热量积累导致的，这一结果可为磷酸铁锂电池板的结构优化提供实验依据。通过烘箱内部的流场分析表明，气流在导流板作用下分布合理，速度场和压力场均匀稳定，确保了加热过程的高效性，这一结果证明了该烘箱结构设计的合理性，并为进一步优化锂电池加热烘箱的结构设计提供了重要的实验依据。