電動(dòng)車供電單元的性能分析與仿真研究

滕 飛，朱傳敏 ，楊蒼祿

(同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，上海200001)

0 引 言

隨著環(huán)保意識(shí)的提高，使得傳統(tǒng)汽柴油汽車變成了眾矢之的。電動(dòng)汽車以其在環(huán)保和節(jié)能上的巨大優(yōu)勢(shì)，成為了解決這一問(wèn)題的最佳途徑［1］。電動(dòng)汽車的研究成為國(guó)內(nèi)外企業(yè)和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，越來(lái)越受到各界的關(guān)注和重視。

目前，在國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都開(kāi)始加大了對(duì)電池包研究的投入。一些企業(yè)聯(lián)合汽車專業(yè)比較著名的高校做了大量的技術(shù)攻關(guān)和樣品制作，在汽車零件優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)制定、電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)等方面都取得了不錯(cuò)的成績(jī)。

在國(guó)外，對(duì)電動(dòng)汽車及其相關(guān)技術(shù)的研究比較早，從1980年開(kāi)始，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的研究對(duì)象分別經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，同時(shí)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電化學(xué)建模和熱效應(yīng)模型有一定的研究基礎(chǔ)，在動(dòng)力電池的熱模型建立上已從動(dòng)力電池生熱模型的建立到動(dòng)力電池三維散熱模型的研究，再到動(dòng)力電池的內(nèi)部電化學(xué)特性分析等［2］。美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助仿真工具對(duì)電池的各種性能進(jìn)行了研發(fā)，針對(duì)電池箱整體的實(shí)用性取得的重大進(jìn)展。他們?cè)趥鹘y(tǒng)傳熱模型基礎(chǔ)上，耦合了電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)生熱，輻射熱，極化熱等各種生熱可能的反應(yīng)，進(jìn)行了綜合性的仿真研究。同時(shí)，以美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室為中心，通用、福特等汽車公司也在加緊對(duì)電動(dòng)車的開(kāi)發(fā)研究［3］。

電池系統(tǒng)的優(yōu)劣直接關(guān)系到車的續(xù)航能力、成本和使用便利性等方面，電池系統(tǒng)成為目前電動(dòng)汽車最大的技術(shù)瓶頸，因此，本研究開(kāi)展電動(dòng)車供電單元的性能分析和研究具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 性能分析

1．1 電動(dòng)車供電單元的基本組成和特點(diǎn)

電動(dòng)汽車供電單元主要為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力，其核心部件為鋰離子電池包。

鋰電池內(nèi)部主要包括正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)等結(jié)構(gòu)。鋰電池中正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)以及隔膜的材料和制造工藝的不同會(huì)引起電池的性能和價(jià)格巨大反差。大部分鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩邊由鋁箔連接著電池的正、負(fù)兩極，電池的正極是由橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4 組成，正極與負(fù)極由之間是聚合物的隔膜隔開(kāi)，只有鋰離子Li +可以通過(guò)而電子e-不能通過(guò)，右邊是由石墨組成的電池負(fù)極。電池的上、下端之間是由電池的電解質(zhì)填充，電解質(zhì)常常采用有機(jī)溶劑。電池的最外層由鋁金屬外殼進(jìn)行密閉封裝［4］。筆者針對(duì)鋰離子電池開(kāi)展其性能研究。

1．2 電動(dòng)汽車供電單元鋰離子電池包的熱特性分析

鋰電池在充放電的過(guò)程中，以多種不同的方式吸熱和發(fā)熱，從而產(chǎn)生電池內(nèi)部溫度的變化。生熱是主要由反應(yīng)熱Qr、歐姆內(nèi)阻的焦耳熱Qj、極化熱Qp和電解質(zhì)分解的副反應(yīng)熱Qs4 個(gè)部分組成［5］。則鋰電池總的發(fā)熱量Ql為四者之和。

由于鋰電池的反應(yīng)熱Qr不是標(biāo)量，在充電和放電狀態(tài)下的狀態(tài)是不同的。充電時(shí)為負(fù)值，而放電時(shí)為正值。電池充電時(shí)產(chǎn)生的熱量要小于放電時(shí)產(chǎn)生的熱量，電池在充電后的溫度分布比較均勻，很少出現(xiàn)熱失控的情況。鋰電池在整個(gè)可逆反應(yīng)中，正極放出較大的熱量，而負(fù)極吸收較小的熱量，電池在充、放電反應(yīng)過(guò)程中，表現(xiàn)為放熱現(xiàn)象。

根據(jù)熱力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，可以知道鋰電池內(nèi)部傳熱的方式有3 種:熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流和熱輻射［6］。這些傳熱方式一般都是復(fù)合的形式一起存在的，很少有以單一形式存在的。

動(dòng)力電池包除了遵守以上熱力學(xué)的規(guī)律以外，還應(yīng)該符合能量守恒定律，其可以用方程表示［7］:

式中:Qw—鋰電池通過(guò)3 種傳熱方式所產(chǎn)生的總的熱量;Qe—電池通過(guò)表面的熱交換過(guò)程，對(duì)外界釋放出的熱量;Qa—電池自身所吸收的熱量。

這些電池吸收的熱量具體表現(xiàn)為電池溫度的變化ΔT。

對(duì)于動(dòng)力電池內(nèi)部而言，熱傳導(dǎo)是主要的傳熱方式，熱輻射跟熱對(duì)流的影響很小。當(dāng)電池散熱的熱量大于其內(nèi)部跟電極產(chǎn)生的熱量時(shí)，電池的溫度會(huì)保持在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)散熱量小于發(fā)熱量時(shí)，電池內(nèi)部的溫度會(huì)不斷地積累，導(dǎo)致溫度不斷升高，可能會(huì)發(fā)生熱失控的情況。因此在不斷發(fā)掘新的電池材料的同時(shí)，要盡量完善電池包的散熱通風(fēng)環(huán)境。

1．3 鋰電池?cái)?shù)學(xué)模型的建立

鋰電池內(nèi)部各單元在散熱過(guò)程中遵循能量守恒定律，各電池的熱模型都可以由非穩(wěn)態(tài)的能量守恒方程表示［8］:

式中:q—指鋰電池單位體積的生熱速率;ρk—電池單元體的平均密度;Cp，k—鋰電池單元體的平均比熱容;λk—鋰電池的平均導(dǎo)熱系數(shù);T—電池單元體的溫度。

上式可用于各種電池的熱模型的建立。等式左邊第一項(xiàng)是單位時(shí)間內(nèi)電池單元體熱量的增加量，右邊是電池內(nèi)部的生熱速率。

由于鋰電池內(nèi)部的發(fā)熱情況相對(duì)復(fù)雜，為了降低其計(jì)算的繁雜性，本研究對(duì)鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化:①鋰電池內(nèi)部的介質(zhì)分布是均勻的，熱物性參數(shù)是保持不變的。②鋰電池的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)是恒定的。③充放電時(shí)，電池內(nèi)部各處的材料密度和生熱速率不變。④同一材料的導(dǎo)熱率處處相等。⑤由于電池內(nèi)部流動(dòng)性較差，熱交換熱輻射產(chǎn)生的熱量相對(duì)較小，忽略不計(jì)［9-10］。

2 仿真研究

為了解電池在實(shí)際工作狀態(tài)下的發(fā)熱情況，本研究將選取電池幾種典型的工作條件，即在0．5 C、1 C、2 C 和3 C 不同的恒倍率放電至截止電壓的下電池的溫度云圖，研究電池的生熱狀態(tài)，了解電池在實(shí)際工況下的熱特性。

(1)電池的尺寸參數(shù):電池長(zhǎng)度:38 mm;寬度:171 mm;高度:327 mm;極柱半徑:6 mm;高度(電池外部):30 mm。

(2)電池的組成材料參數(shù):磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的主要組成材料如表1 所示。

表1 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的組成材料和材料特性

Fluent 軟件是目前國(guó)際上比較流行的商用CFD軟件包，主要用于計(jì)算流體流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)問(wèn)題。它提供的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成程序，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效，本研究中的網(wǎng)格化三維模型如圖1 所示。

圖1 單體電池網(wǎng)格圖

2．1 放電倍率對(duì)單體電池溫升的影響

本研究設(shè)置電池周圍的原始環(huán)境溫度為300 K，同時(shí)在電池的正負(fù)極以及內(nèi)核發(fā)熱源處添加相應(yīng)的生熱率(詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1 所示)。忽略電池向外的輻射熱量，可以得到不同倍率下的電池的溫度分布云圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 鋰電池在0．5 C 和1 C 倍率下的溫升云圖

圖3 鋰電池在2 C 和3 C 倍率下的溫升云圖

本研究通過(guò)分析比較鋰電池不同放電倍率下的溫度云圖，得出電池的溫升結(jié)果如表2 所示。

從溫升結(jié)果來(lái)看，在初始溫度相同的情況下，電池組的溫升主要與充放電的倍率有關(guān)，充、放電倍率越大，流過(guò)電池的電流越大，溫升越明顯。這主要是因?yàn)殡姵氐纳鸁崴俾逝c通過(guò)電池的電流的平方成正比，所以充放電倍率越大，電池的生熱率越大，放電至截止電壓的時(shí)間越快，電池的溫升量越大。

通過(guò)對(duì)單體電池進(jìn)行的仿真結(jié)果，可以看出隨著充放電倍率的增大，單體電池的溫差從最初的3 K 變大到了20 K，并且變化速率越來(lái)越大。由此可知，在放電倍率越大下的單體電池溫度的不均衡現(xiàn)象越嚴(yán)重。

2．2 溫度對(duì)1 C 放電倍率單體電池溫升的影響

本研究設(shè)置電池放電倍率為1 C，同時(shí)改變電池周圍原始環(huán)境的溫度。忽略電池向外的輻射熱量，可以得到相同倍率下的電池的溫度分布云圖。不同溫度下1 C 放電倍率時(shí)電池的分布云圖如圖4、圖5 所示。

圖4 30 ℃和35 ℃下1 C 電池的溫升云圖

圖5 40 ℃和45 ℃下1 C 電池的溫升云圖

通過(guò)分析比較鋰電池不同溫度1 C 相同放電倍率下的溫度云圖，得出電池的溫升結(jié)果如表3 所示。

表3 動(dòng)力電池不同溫度下1 C 放電倍率的溫度差值表

從溫升來(lái)看，在放電倍率相同的情況下，電池組的溫升主要與電池所處的環(huán)境溫度有關(guān)。在初始溫度越高的環(huán)境下，溫升越明顯。這主要是因?yàn)殡姵乇砻娴纳崴俾逝c外界溫度有著直接關(guān)系，熱對(duì)流與熱傳導(dǎo)的速率是由溫差決定的，溫差越大，散熱效率越高。而且可以從表3 中看出，電池某些溫度較低的地方已經(jīng)趨于環(huán)境溫度，幾乎熱量傳不出去，導(dǎo)致電池本身溫度上升。

通過(guò)對(duì)單體電池進(jìn)行的仿真結(jié)果，可以看出隨著初始溫度的增高，單體電池的溫差從最初的6．2 K 上升到了7．5 K，并且變化速率越來(lái)越大。由此可知，在初始溫度越高的環(huán)境下，相同放電倍率的單體電池溫度的不均衡現(xiàn)象越嚴(yán)重。

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究以磷酸鐵鋰電池作為仿真的對(duì)象，通過(guò)了解分析其生熱發(fā)熱機(jī)制，利用Fluent 建立與其相對(duì)應(yīng)的發(fā)熱散熱模型。

研究結(jié)論如下:

(1)電池組的溫升主要與充放電的倍率有關(guān)，且充放電倍率越大，單體電池溫度越不均衡;

(2)電池組的溫升主要與電池所處的環(huán)境溫度有關(guān)，且初始溫度越高，相同放電倍率的單體電池溫度越不均衡。

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