純電動(dòng)車用動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度場(chǎng)特性的數(shù)值研究

閆凱 楚金甫 陳西山 古偉鵬 常樂(lè)

河南森源重工有限公司 河南省長(zhǎng)葛市 461500

1 引言

鋰離子電池在充放電時(shí)，伴隨著鋰離子在電池正負(fù)極的嵌入和脫嵌以及與電極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致電池溫度逐漸升高。溫度對(duì)鋰離子電池的容量、內(nèi)阻和壽命都有重要影響，溫度均勻性決定了電池組的一致性。

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）采用數(shù)值方法求解流體控制方程，包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，獲得溫度、速度、壓力等基本物理量在流場(chǎng)內(nèi)的分布以及隨時(shí)間的變化情況。利用CFD技術(shù)能夠在很大程度上節(jié)省實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)備和人力帶來(lái)的巨大產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。

本文利用CFD軟件對(duì)某款電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行了熱仿真，得到了電池系統(tǒng)在1C放電工況時(shí)溫升和溫度分布情況，并通過(guò)Fluke熱成像設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，為后續(xù)電池系統(tǒng)的熱管理提供可靠的理論參考。

2 數(shù)值模型

2.1 電池系統(tǒng)概況

圖1所示為某款純電動(dòng)乘用車動(dòng)力電池系統(tǒng)模型圖，該電池系統(tǒng)采用三元（NCM）18650電芯；電池系統(tǒng)組合形式為30P87S，前排模組為30P9S，后排模組為30P11S；電池系統(tǒng)放電工作溫度范圍-20-50℃，電池組散熱采用自然冷卻。

2.2 模型簡(jiǎn)化

由于本文主要對(duì)電池系統(tǒng)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，僅考慮單體電芯內(nèi)部導(dǎo)熱以及與周圍空氣之間的熱交換，所以電池系統(tǒng)熱仿真模型中忽略除電芯以外的其它結(jié)構(gòu)部件，電池系統(tǒng)熱仿真模型如圖2所示。

2.3 電池?zé)嵛镄詤?shù)

通過(guò)對(duì)電芯廠家和實(shí)驗(yàn)測(cè)試所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出單體電芯的熱物性參數(shù)如表1所示。

2.4 邊界條件

在1C放電工況下，單體電芯發(fā)熱量設(shè)置為7236W/m3；將單體電芯與空氣的接觸面定義為流固耦合邊界，實(shí)現(xiàn)流體與固體之間的熱量傳遞；電池包內(nèi)空氣邊界設(shè)置自然對(duì)流換熱，環(huán)境溫度25℃，換熱系數(shù)為5W/(m2K)；仿真采用瞬態(tài)計(jì)算，分析時(shí)長(zhǎng)3600s，時(shí)間步長(zhǎng)為10s。

圖1 電池系統(tǒng)模型圖

圖2 電池系統(tǒng)熱仿真模型

表1 單體電芯熱物性參數(shù)

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 單體電芯溫升計(jì)算

仿真過(guò)程中對(duì)單體電芯區(qū)域的最高溫度和最低溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖3所示。計(jì)算結(jié)束時(shí)，單體電芯最高溫度37.87℃，溫度升高12.87℃；單體電芯最低溫度35.35℃，溫度升高10.35℃；電池系統(tǒng)最大溫差為2.52℃。

3.2 模組溫度場(chǎng)分析

對(duì)電池系統(tǒng)中兩種排布形式的模組進(jìn)行了1C放電工況下的熱仿真分析，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。30P9S和30P11S模組1C放電結(jié)束時(shí)溫升分別約為12.65℃和12.85℃，從截面溫度分布圖中可以看出，位于模組中間位置的單體電芯溫度要高于模組外側(cè)的單體電芯；由于空氣的導(dǎo)熱性能很弱，采用自然冷卻時(shí)，電池組放電產(chǎn)生的熱量很難傳遞到電池系統(tǒng)外。

3.3 電池系統(tǒng)溫度場(chǎng)分析

電池系統(tǒng)1C放電不同時(shí)刻的熱仿真結(jié)果和熱成像測(cè)試結(jié)果如圖6所示。對(duì)比分析可知，兩種結(jié)果溫度場(chǎng)分布大致相同，溫升數(shù)據(jù)相差很小，可以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。從溫度場(chǎng)分布可以看出，由于后排模組是兩層分布，散熱條件相對(duì)較差，模組溫度較前排模組更高；前排模組由于排布一致，溫度場(chǎng)分布大致相同。

圖3 單體電芯最高、最低溫度變化曲線

圖4 30P9S模組溫度場(chǎng)分布

圖5 30P11S模組溫度場(chǎng)分布

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電池系統(tǒng)1C放電進(jìn)行熱仿真，得出電池系統(tǒng)后排模組溫度相對(duì)較高，前排模組溫度分布大致相同，電芯最大溫升12.87℃，最大溫差2.52℃。通過(guò)對(duì)比熱仿真和熱成像測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了熱仿真的準(zhǔn)確性，仿真結(jié)果能夠?yàn)楹罄m(xù)的熱管理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。