基于多物理場耦合的動(dòng)力電池組熱性能分析

劉 瑩，祝振林，于成龍，喬 鑫

(華晨汽車工程研究院，沈陽 110141)

隨著世界氣候及能源問題的加劇，以電動(dòng)汽車為代表的新能源汽車已是汽車發(fā)展的必然趨勢。而純電動(dòng)汽車因其大氣零污染的特性更是受到業(yè)界青睞，為此各大汽車廠商都將大量資源投入到了純電動(dòng)汽車的研發(fā)之中[1]。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力核心，其在新能源汽車的研發(fā)中至關(guān)重要。

熱性能管理在動(dòng)力電池的開發(fā)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，其按工況可分為冷卻和加熱兩種，其中冷卻工況更為復(fù)雜，管控難度更大。動(dòng)力電池在充放電過程會(huì)大量生熱，這將導(dǎo)致其自身溫度快速升高，當(dāng)電池溫度過高時(shí)，使用壽命、容量、電壓均衡性等均會(huì)受到嚴(yán)重影響；如果電池工作溫度長期高于其可承受的上限，更會(huì)給整車安全帶來巨大隱患。同時(shí)由于動(dòng)力電池自身特性，通常要求電池最高溫度小于60℃，局部溫差小于5℃[2]，因此，在開發(fā)設(shè)計(jì)中對動(dòng)力電池進(jìn)行散熱性分析很重要。雖然行業(yè)內(nèi)對此已有了部分研究，但在一些方面尚有不足之處，而且鮮有工程應(yīng)用，大多仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

馮能蓮等開發(fā)了適于圓柱狀電池的新型蜂巢式液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了傳熱特性仿真分析[3]，但其僅局限于液體冷卻系統(tǒng)，并未提及風(fēng)冷系統(tǒng)的熱管理。劉霏霏等基于電池內(nèi)阻溫升特性，采用數(shù)值仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，考慮耦合正負(fù)極耳的熱影響，建立了生熱速率的時(shí)變內(nèi)熱源分析模型，獲得電池溫度場分布及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律[4]，但其熱場與周圍環(huán)境的熱量交換為自然對流和輻射，并沒有采用實(shí)時(shí)耦合技術(shù)，這會(huì)導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際情況存在一定偏差，且隨著迭代次數(shù)的增加，誤差會(huì)不斷增大。巴黎明等從電池內(nèi)部發(fā)熱機(jī)理角度，建立了一個(gè)高功率鋰離子電池?zé)嵝?yīng)模型并進(jìn)行了驗(yàn)證分析，重點(diǎn)討論了極耳的尺寸和位置對電池?zé)嵝?yīng)的顯著影響[5]，但并沒有考慮冷卻系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對電池?zé)嵝?yīng)的影響。齊創(chuàng)等采用數(shù)值模擬方法研究了過充電流對三元鋰離子電池?zé)崾Э匦袨榈挠绊慬6]，但其沒有對電池生熱率進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，這會(huì)導(dǎo)致熱場仿真結(jié)果與實(shí)際存在較大誤差。

針對以上不足，本文以某自主品牌電動(dòng)汽車動(dòng)力電池為研究對象，應(yīng)用實(shí)時(shí)耦合技術(shù)及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定熱源參數(shù)等方法，建立動(dòng)力電池?zé)崃黢詈戏抡婺Ｐ?，大幅提高了電池?zé)釄黾傲鲌龅姆抡婢龋⑼ㄟ^分析電池在工作狀態(tài)下的溫度分布情況，深入探討放電率、冷卻空氣溫度及流速對電池?zé)崮芊植嫉挠绊?，并結(jié)合熱流耦合仿真技術(shù)，調(diào)節(jié)上述參數(shù)，使動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅芊显O(shè)計(jì)和安全要求。

由于同等條件下，電池放電溫度升高幅度明顯大于充電溫度升高幅度，放電工況下的電池?zé)嵝阅芄芾黼y度更高，因此本文主要以放電工況下的動(dòng)力電池為主要研究對象。

1 電池?zé)嵛镄詤?shù)確定

1.1 電池包的結(jié)構(gòu)及材料熱物性

本文所研究的某自主品牌電動(dòng)汽車采用三元鋰離子動(dòng)力電池，由兩個(gè)電池組模塊構(gòu)成，每個(gè)模塊包含36個(gè)單體電池，單體電池由隔膜、內(nèi)部有機(jī)電解液、銅箔、鋁箔等組成，電池整體結(jié)構(gòu)尺寸為116mm×345mm×211mm，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，幾何模型如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池幾何模型

電池外殼材料為鋁，每個(gè)單體電池頂部由銅片相互連接，每個(gè)單體電池間設(shè)有絕熱性良好的隔膜，由于電池內(nèi)部由多種材料堆疊而成，其導(dǎo)熱系數(shù)為各向異性，電池材料熱物性參數(shù)如表1所示。

表1 電池?zé)嵛镄詤?shù)數(shù)據(jù)

同為動(dòng)力電池的重要技術(shù)參數(shù)，電池?zé)嵛镄詤?shù)僅由構(gòu)成電池的材料決定，而生熱率則與電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電化學(xué)反應(yīng)等諸多因素相關(guān)且作用關(guān)系復(fù)雜，因此本文直接通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定動(dòng)力電池生熱率。

1.2 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定單體電池生熱率

動(dòng)力電池的生熱率可表述為工作過程中單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的總熱量，其中電池產(chǎn)生的總熱量可表示為

Q=Qr+Qj+Qp+Qs

(1)

式中：Q為電池產(chǎn)生的總熱量；Qr為反應(yīng)熱，鋰離子與電子間發(fā)生嵌入與脫嵌所產(chǎn)生的熱量；Qj為焦耳熱，電流在通過歐姆電阻時(shí)產(chǎn)生的熱量；Qp為電池的極化熱，電池電極表面發(fā)生極化現(xiàn)象，由電池平均端電壓與開路電壓壓降產(chǎn)生的熱量；Qs為副反應(yīng)熱，過充過放時(shí)因發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量。

電池在正常工作溫度范圍-20～60℃時(shí)，其主要熱量來源為焦耳熱和極化熱[7-9]，由兩種熱量來源的產(chǎn)生機(jī)理，可知其生熱速度較為穩(wěn)定。當(dāng)動(dòng)力電池的充電倍率或放電倍率一定時(shí)，其各自對應(yīng)的生熱速率恒定。因此，可以通過標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得較為準(zhǔn)確的電池生熱功率。

為保證電池?zé)釄瞿Ｐ湍軠?zhǔn)確模擬電池工作時(shí)的實(shí)際生熱狀態(tài)，本文通過測溫實(shí)驗(yàn)標(biāo)定單體電池發(fā)熱功率，以此作為電池?zé)釄瞿Ｐ偷纳鸁釁?shù)。

由于電池放電速率在一定程度上與內(nèi)部電解質(zhì)有關(guān)，會(huì)受其內(nèi)部溫度過高影響，本文為能測得電池在真實(shí)工作環(huán)境溫度下的生熱率，在實(shí)驗(yàn)中全程通入真實(shí)工況下的冷卻空氣，并監(jiān)控空氣流量和被排除時(shí)的溫升。

標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，位于實(shí)驗(yàn)設(shè)備頂端的傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)控被排出的冷卻空氣溫度和流量；自帶冷卻空氣給風(fēng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)冷卻空氣流量的實(shí)時(shí)調(diào)控，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；采用專用設(shè)備對單體電池進(jìn)行絕熱保護(hù)，使其具有較好的絕熱性，避免測溫實(shí)驗(yàn)受其他換熱因素干擾，如圖2a所示。

單體電池側(cè)面及頂端共設(shè)置7個(gè)測溫點(diǎn)，每個(gè)測溫點(diǎn)上貼有熱電偶，以實(shí)時(shí)監(jiān)測各測溫點(diǎn)的溫度變化，測溫裝置及測溫點(diǎn)如圖2b所示。

通過實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行對標(biāo)實(shí)驗(yàn)，得到不同放電倍率下單體電池工作前后的溫度變化及所用時(shí)間，帶入電池發(fā)熱功率計(jì)算公式

圖2 測溫實(shí)驗(yàn)裝置及測溫點(diǎn)

P=Q/t=(∑cPi·mBi·ΔTB)+(∑cA·mA·ΔTAj)/t

(2)

式中：P為電池發(fā)熱功率，單位為W；cPi、cA分別為電池各部分的比熱容和空氣比熱容，單位為J(kg·K)；mBi、mA分別為單體電池各部分的質(zhì)量和單位時(shí)間內(nèi)通入冷卻空氣的質(zhì)量，單位為kg；ΔTB、ΔTAj分別為電池溫度升高幅度和各單位時(shí)間內(nèi)被排出冷卻空氣的溫升，單位為K；t為電池放電所用時(shí)間，單位為s。

經(jīng)過計(jì)算，最終得到單體電池在0.5C和1C放電倍率下的平均發(fā)熱功率分別為1.732W和3.54W。

由以上計(jì)算結(jié)果可見同等條件下，隨著充放電倍率的增加，電池發(fā)熱功率也相應(yīng)增加。為進(jìn)一步判斷哪些工況下動(dòng)力電池的熱管理性能滿足設(shè)計(jì)和安全要求。本文將探究動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅芘c風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻空氣溫度及流速的相關(guān)性。

2 單體電池?zé)崃黢詈戏抡娣治?/h2>

相較于電池?zé)峁芾硇阅艿姆抡婺M，測溫實(shí)驗(yàn)所需成本大且時(shí)間長，因此本文通過對電池的熱流耦合仿真，分析電池的熱場分布，深入探討放電率、冷卻空氣溫度及流速對其溫度分布的影響。

本文關(guān)于動(dòng)力電池的熱流耦合仿真模型，可表述為：電池以恒定生熱速率生熱，同時(shí)熱量一部分通過電池外殼與空氣發(fā)生熱傳遞，另一部分熱量留在電池內(nèi)部使其加熱升溫。

對于電池內(nèi)部熱場仿真，本文采用ONDA等提出的非穩(wěn)態(tài)傳熱能量守恒方程[10]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

ρCp?T/?t=λx?2T/?x2+λy?2T/?y2+λz?2T/?z2+q

(3)

式中：ρ表示電池密度，單位為kg/m3；Cp表示電池比熱容，單位為J(kg·K)；q表示電池生熱速率，單位為W；T表示溫度，單位為K；λx、λy、λz分別表示電池材料各個(gè)方向上的熱導(dǎo)率，單位為W/(m·K)。

電池包熱管理方針是涉及熱-電-流體多學(xué)科交錯(cuò)的復(fù)雜問題，本文通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定電池生熱率將熱-電問題簡化，重點(diǎn)研究熱-流實(shí)時(shí)耦合問題，其分析流程如圖3所示。

圖3 熱-流耦合原理示意圖

關(guān)于熱場仿真，首先在ABAQUS中建立電池單體熱分析模型，電池內(nèi)部各項(xiàng)熱物性參數(shù)不隨溫度變化，結(jié)構(gòu)無熱變形，電池內(nèi)部熱量均勻產(chǎn)生，生熱功率由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)確定，采用四面體單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，單元類型采用熱傳導(dǎo)單元DC3D3，總計(jì)126056個(gè)，如圖4所示。

圖4 電池單體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格示意圖

電池外部為一層1mm厚度的鋁，內(nèi)部為電解液，內(nèi)外部之間采用共節(jié)點(diǎn)方式保證熱傳遞，電池頂部為銅片。

關(guān)于流場仿真，本文基于STARCCM+建立流場分析模型，首先在有限元軟件中建立單體電池封閉的空氣流通區(qū)域，導(dǎo)入到STARCCM+進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，與四面體網(wǎng)格相比，多面體可以用較少的單元數(shù)量獲得較高的精度，同時(shí)定義拉深層、邊界層、入口以及出口等，流體網(wǎng)格總計(jì)263044個(gè)單元。因電池包流場中存在湍流，為提高電池流場模擬準(zhǔn)確性，采用K-Epsilon湍流模型，空氣為理想不可壓縮流體，忽略流體慣性力，忽略電池組的熱對流和熱輻射。

其中湍動(dòng)能、湍流耗散率運(yùn)輸方程分別如式(4)、式(5)所示。

?(ρk)/?t+?(ρkuj)/?xj=?/?xj[(μ+μt/σk)?k/?xj]+Pk+Pb-ρε-YM+SK

(4)

(5)

式中：Pk、Pb分別為平均速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；C1ε為模型常數(shù)，本文取1.44；C2為模型常數(shù)，本文取1.9；μt為湍流粘度；k為湍動(dòng)能；ε為耗散率。

同時(shí)應(yīng)用雷諾平均納維-斯托克斯、精確壁面距離等物理模型，流場分析模型如圖5所示。

圖5 電池單體流體網(wǎng)格示意圖

關(guān)于耦合面的設(shè)置，通過手動(dòng)編程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、流體節(jié)點(diǎn)共面的耦合策略，并在相應(yīng)的耦合面匹配交換變量。

本文關(guān)于實(shí)時(shí)耦合仿真，采取結(jié)構(gòu)領(lǐng)先分析，熱場跟進(jìn)的主-從耦合機(jī)制。結(jié)構(gòu)求解器將接觸面溫度變量傳遞給流體求解器，作為流場分析的初始邊界條件，順序分析10s后，流體求解器將熱流向量和參考溫度傳遞給結(jié)構(gòu)求解器，從而實(shí)現(xiàn)熱場和流場的實(shí)時(shí)耦合仿真，如此依次迭代4h，得到穩(wěn)定的熱場。

完成模型搭建，經(jīng)計(jì)算得到電池?zé)崃黢詈戏抡娼Y(jié)果，在單體電池?zé)釄鲈茍D中可看到明顯的溫度遞減，在電池內(nèi)部越靠近冷卻空氣與電池?fù)Q熱面的位置，溫度越低。其中，單體電池在0.5C放電倍率、冷卻空氣流量為9.8mm3/s、入口空氣溫度為6℃的工況下的溫度分布云圖，如圖6所示。

圖6 單體電池溫度分布云圖

由圖6可見，在上述工況下單體電池最高溫度為19.041℃，最大局部溫差為1.825℃，由于冷卻空氣與電池?fù)Q熱發(fā)生在電池頂端，而電池其他部位的熱量需要先傳遞到頂端才能由冷卻空氣帶走，所以電池內(nèi)部溫度呈梯度分布且距頂端距離越遠(yuǎn)溫度越高。

為探究放電率、冷卻空氣溫度及流速對電池溫度分布的影響，本文將基于上述熱流耦合模型，分別計(jì)算各類工況下電池的溫度分布情況。

3 不同因素對熱管理性能指標(biāo)影響

以不同放電倍率、冷卻空氣質(zhì)量流量及入口冷卻空氣溫度為變量，通過對單體電池進(jìn)行熱流耦合仿真，分析放電率、空氣質(zhì)量流量、空氣溫度對電池溫度分布均勻性及最高溫度的影響，其中電池放電率、冷卻空氣溫度、空氣質(zhì)量流量及仿真計(jì)算結(jié)果具體如表2所示。

3.1 冷卻空氣質(zhì)量流量和放電率對電池?zé)釄龅挠绊?/h3>

圖7為冷卻空氣溫度相同時(shí)，入口空氣質(zhì)量流量的不同對電池最高溫度和溫度分布均勻性的影響程度。

由圖7可知，冷卻空氣質(zhì)量流量的增加，加強(qiáng)了電池與冷卻空氣間的對流換熱，提升了電池組散熱性能，導(dǎo)致電池最高溫度逐漸下降，同時(shí)電池溫差略微升高。因此，增大送風(fēng)量，可有效降低電池整體溫度，同時(shí)造成電池不同區(qū)域間的溫差增加。

同時(shí)可以看出：隨著放電倍率的提高，鋰電池組的最高溫度與溫差也會(huì)相應(yīng)提高，這是由于隨放電倍率增加使通過電池總內(nèi)阻的電流變大，導(dǎo)致電阻發(fā)熱量增加。

表2 單體電池?zé)崃黢詈瞎r及結(jié)果

圖7 冷卻空氣流量對電池溫度場影響

3.2 入口空氣溫度對電池?zé)釄龅挠绊?/h3>

圖8為冷卻空氣質(zhì)量流量恒定，空氣溫度的不同對電池最高溫度和溫度分布均勻性的影響程度。

圖8 冷卻空氣溫度對電池溫度場影響

由圖8可知，入口空氣溫度的增加，減緩了電池與冷卻空氣間的換熱，降低了電池散熱性能，導(dǎo)致電池最高溫度逐漸上升，同時(shí)電池溫差減小。因此，降低冷卻系統(tǒng)入口空氣溫度，可降低電池整體溫度，同時(shí)電池不同區(qū)域間的溫差會(huì)有小幅度的增加。

綜上所述，冷卻系統(tǒng)入口空氣溫度和送風(fēng)量對電池的熱場分布均有不同程度的影響，在動(dòng)力電池設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮以上因素對電池?zé)峁芾硇阅艿淖饔藐P(guān)系。

4 動(dòng)力電池組熱管理設(shè)計(jì)

基于熱流實(shí)時(shí)耦合仿真技術(shù)，并根據(jù)前文所述放電率、冷卻空氣溫度及流速對動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅苤笜?biāo)的影響規(guī)律，在冷卻空氣溫度和送風(fēng)量的多種工況組合下依次對某自主品牌電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行熱流耦合仿真計(jì)算，其中建模方法及相關(guān)熱物參數(shù)與前文單體電池?zé)崃鲗?shí)時(shí)耦合仿真相同。

若仿真所得熱場分析結(jié)果不符合電池包的熱管理性能的設(shè)計(jì)和安全要求，則調(diào)整冷卻空氣溫度及流速，重新提交計(jì)算，直到仿真結(jié)果中相應(yīng)熱管理性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)和安全要求。

經(jīng)過多輪仿真求解，最終發(fā)現(xiàn)某自主品牌電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組在1C放電倍率下，其風(fēng)冷系統(tǒng)入口空氣溫度為6℃，送風(fēng)量為13.6m3/h時(shí)，電池組的散熱性能達(dá)到最佳，滿足最高溫度不高于60℃，局部溫差不大于5℃的設(shè)計(jì)和安全要求，熱場溫度分布云圖如圖9所示。

圖9 動(dòng)力電池?zé)釄鰷囟仍茍D

每個(gè)單體電池內(nèi)溫度分布情況如表3所示。

表3 電池溫度分布數(shù)據(jù) ℃

由表3可見，此時(shí)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組整體最高溫度為32.48℃，電池組最大局部溫差為3.31℃。當(dāng)冷卻空氣溫度為6℃，送風(fēng)量為13.6m3/h時(shí)，某自主品牌電動(dòng)汽車動(dòng)力電池在1C放電倍率下的熱管理性能滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池相關(guān)設(shè)計(jì)和安全要求。

在后續(xù)的實(shí)車路試過程中對該型動(dòng)力電池散熱性能做跟蹤測試，結(jié)果表明，該型動(dòng)力電池在本文指出的工況下即風(fēng)冷系統(tǒng)冷卻空氣溫度為6℃，送風(fēng)量為13.6m3/h，電池組整體散熱性能表現(xiàn)良好，與仿真分析結(jié)果一致，動(dòng)力電池的工作穩(wěn)定性和安全性可得到有效保證，滿足電動(dòng)汽車動(dòng)力電池關(guān)于熱管理性能的設(shè)計(jì)和安全要求。

5 結(jié)束語

通過對標(biāo)實(shí)驗(yàn)得到電池放電生熱功率，建立電池?zé)崃黢詈戏抡婺Ｐ?。以不同放電倍率、冷卻空氣質(zhì)量流量及入口冷卻空氣溫度為變量，進(jìn)行單體電池?zé)崃黢詈戏抡娣治霭l(fā)現(xiàn)，隨放電倍率的升高，鋰電池組的最高溫度與溫差也會(huì)相應(yīng)提高；冷卻空氣質(zhì)量流量的增加和入口空氣溫度的降低，會(huì)不同程度的降低電池整體溫度，同時(shí)電池不同區(qū)域間的溫差有所增加，擴(kuò)大電池自身溫度分布的不均勻性。

基于對某型電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的熱流耦合仿真計(jì)算和分析，得到了使該型動(dòng)力電池?zé)峁芾硇阅鼙憩F(xiàn)良好的工況參數(shù)，滿足了相關(guān)安全和設(shè)計(jì)要求，并經(jīng)路試檢測電池在實(shí)際工作中散熱良好。本文所提出的思路和分析方法，可有效指導(dǎo)動(dòng)力電池的開發(fā)應(yīng)用，對正向設(shè)計(jì)具備一定參考意義。