基于完全放電工況下的FSEC單電池溫度場(chǎng)分析

楊 勇，李 紅，司晨龍，丁亞軍，張建成

(揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000)

0 引言

FSEC大賽的動(dòng)態(tài)測(cè)試包含5個(gè)子項(xiàng)目，分別是75 m直線加速測(cè)試、高速避障測(cè)試、8字繞環(huán)測(cè)試、耐久測(cè)試以及經(jīng)濟(jì)性測(cè)試[1]。復(fù)雜工況的動(dòng)態(tài)項(xiàng)目比賽，致使動(dòng)力電池在工作過程中積聚龐大的熱量，加劇溫升，引發(fā)電池?zé)岚踩珕栴}。因此，本文結(jié)合揚(yáng)州大學(xué)首輛FSEC電動(dòng)賽車，采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法分析研究單體電池的相關(guān)熱特性。

1 聚合物鋰離子單體電池建模及仿真分析

1.1 單體電池建模

在CATIA中對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行三維實(shí)體建模，并在ANSYS Workbench 15.0中用Geometry模塊導(dǎo)入該三維模型，進(jìn)行實(shí)體劃分，之后導(dǎo)入Mesh模塊，分別對(duì)電池本體和正、負(fù)極耳劃分網(wǎng)格。其中，電池本體單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，使用正六面體網(wǎng)格劃分；正、負(fù)極耳處采用自適應(yīng)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終得到98.1%以上的高質(zhì)量網(wǎng)格共計(jì)2.02×105個(gè)。

1.2 仿真計(jì)算分析

1.2.1 初始條件設(shè)置

本文依據(jù)FSEC大賽舉辦地珠海11月中下旬的平均溫度，設(shè)置電池的初始溫度為22 ℃，對(duì)完全放電極限工況進(jìn)行相關(guān)仿真?？紤]到電機(jī)控制器短時(shí)工作電流的限制，采用8C和4C放電倍率，由4.2 V恒流放電直到截止電壓3 V，參照對(duì)應(yīng)的放電耗時(shí)，在Fluent中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，并且為模擬分析極限狀態(tài)下的溫度場(chǎng)，將對(duì)流換熱系數(shù)hcon參照經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置為5 W/(m2·K)[2-5]。

1.2.2 仿真結(jié)果分析

圖1為仿真得到的單體電池在4C放電倍率下完全放電過程中的溫度場(chǎng)分布云圖。

從圖1可以看出：電池在剛開始放電80 s后，最高溫度集中在正極耳處，達(dá)到29.68 ℃，最大溫差為4.15 ℃；放電150 s后，最高溫度仍然集中在正極耳附近，達(dá)到31.88 ℃，最大溫差為4.17 ℃，最大溫差變化不是非常明顯，但電芯本體溫度逐漸上升，最高溫度為30.93 ℃；從580 s到900 s的變化過程可以看出，自放電150 s以后到放電結(jié)束，最高溫度已完全由正極耳處轉(zhuǎn)移至電芯中心附近，正極耳處的溫度隨著放電時(shí)間的推移已越來越低，放電結(jié)束時(shí)最高溫度已經(jīng)高達(dá)59.53 ℃，最高溫差更是達(dá)到了24.62 ℃。

8C放電倍率下的整體變化趨勢(shì)與4C相同，但是溫度變化更快，僅330 s最高溫度就達(dá)到了75.99 ℃。

圖2為完全放電極限工況單體電池溫度及溫差變化情況。從圖2可以看出：最高溫度總是隨著放電時(shí)間的推移而增加，且均表現(xiàn)為放電初期變化率較大，隨后變化率趨近緩慢，隨即又遭遇新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，變化率又重新變大，但是沒有放電初期增長(zhǎng)得那么迅速。出現(xiàn)這種變化過程，勢(shì)必與正極耳和電芯本體的熱生成速率有關(guān)。放電初期，正極耳熱生成速率很快，溫度變化很快，但正極耳體積有限，一定時(shí)間后，正極耳材料中的粒子運(yùn)動(dòng)達(dá)到飽和狀態(tài)，溫度變化便不再那么迅速，此時(shí)，體積較大的電芯本體部分由于時(shí)間的推移，粒子運(yùn)動(dòng)開始不斷活躍，其相比正極耳而言以較低的熱生成速率正不斷累積熱量，最后導(dǎo)致溫度變化又再次提高。對(duì)比圖2(a)與圖2(b)發(fā)現(xiàn)，8C放電倍率下，放電初期最高溫差達(dá)到波峰所用時(shí)間接近60 s，而同樣的時(shí)間，4C放電倍率下所用時(shí)間接近100 s，隨著電流的增大，該波峰提前了40 s左右到來，說明大電流對(duì)有限空間范圍內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)的刺激作用更強(qiáng)，從而使其更快地達(dá)到相對(duì)“飽和”的狀態(tài)。

圖2 完全放電極限工況單體電池溫度及溫差變化情況

2 完全放電極限工況實(shí)驗(yàn)分析

2.1 溫度采集平臺(tái)搭建

圖3為搭建的單體電池溫度采集系統(tǒng)。單體電池表面溫度由K型熱電偶溫度傳感器采集，表面共布置有7個(gè)溫度傳感器，經(jīng)由變送器上傳至上位機(jī)。

圖3 單體電池溫度采集系統(tǒng)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

圖4為實(shí)驗(yàn)得到的完全放電工況各測(cè)試點(diǎn)溫度與仿真結(jié)果對(duì)比。從圖4(a)可以看出：在4C倍率完全放電工況過程中，各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試溫度變化趨勢(shì)與仿真溫度變化趨勢(shì)基本上趨于一致，測(cè)試點(diǎn)2和3的測(cè)試曲線以及測(cè)試點(diǎn)4和5的測(cè)試曲線基本上重合，這是因?yàn)閱误w電池在放電過程中，材料在同一方向的熱導(dǎo)率是相同的，測(cè)試點(diǎn)2和3均處在x方向上，必然遵循溫度變化相同的規(guī)律，測(cè)試點(diǎn)4和5也遵循這一規(guī)律；在y方向，理論上也會(huì)出現(xiàn)同樣的變化，但測(cè)試點(diǎn)2比4在y方向更靠近正極耳，后期由于正極耳溫度成為整塊電池的低溫處，電芯本體上部靠近極耳處的溫度會(huì)受到減弱影響，因此測(cè)試點(diǎn)2和3在y方向上比測(cè)試點(diǎn)4和5的溫度要稍微偏低一些；總體趨勢(shì)表現(xiàn)為仿真溫度高于測(cè)試溫度，在不到200 s的附近處有一個(gè)最高溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，此前表現(xiàn)為正極耳溫度是整塊電池的最高溫度，此后變成了電芯中心處，從初始電壓4.2 V到截止電壓3.0 V的900 s放電過程中，測(cè)試點(diǎn)1(電芯中心)的溫度從放電初始的22.10 ℃上升到了實(shí)驗(yàn)結(jié)束的57.28 ℃，測(cè)試點(diǎn)2的溫度從放電初始的22.10 ℃上升到了實(shí)驗(yàn)結(jié)束的53.21 ℃，測(cè)試點(diǎn)5的溫度從放電初始的21.50 ℃上升到了實(shí)驗(yàn)結(jié)束的55.21℃，測(cè)試點(diǎn)6(正極耳)的溫度從放電初始的22.29 ℃上升到了實(shí)驗(yàn)結(jié)束的36.10 ℃，測(cè)試點(diǎn)7(負(fù)極耳)的溫度從放電初始的22.12℃上升到了實(shí)驗(yàn)結(jié)束的33.30 ℃。

圖4 實(shí)驗(yàn)得到的完全放電工況各測(cè)試點(diǎn)溫度與仿真結(jié)果對(duì)比

從圖4(b)可以看出：以8C放電倍率放電至截止電壓3 V經(jīng)歷了不到400 s時(shí)間，各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試溫

度變化趨勢(shì)與4C放電倍率下的趨勢(shì)在大體趨勢(shì)上遵循著相同的走向，但測(cè)試點(diǎn)2、3和測(cè)試點(diǎn)4、5之間的曲線走向更加貼近彼此，變化幅度沒有4C放電倍率下的那么明顯，正負(fù)極耳之間的溫度差即兩條測(cè)試曲線之間的面積也表現(xiàn)得更大，說明隨著電流的加大，單體電池各部分之間的溫度提升不僅更快，材料的差異性也表現(xiàn)得更加顯著。

經(jīng)分析可知：在完全放電極限工況過程中，單體電池各測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試溫度與相對(duì)應(yīng)的仿真溫度之間的最大差值為2.61 ℃，出現(xiàn)在4C放電倍率下對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)1處，并且最大誤差不超過8%，在可以接受的范圍之內(nèi)，表明本文所建立的單體電池?zé)崮Ｐ蛯?duì)于完全放電極限工況具有一定程度的可適用性。

3 結(jié)語

本文針對(duì)FSEC動(dòng)態(tài)比賽項(xiàng)目劃分的完全放電極限工況，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法，驗(yàn)證了所建熱模

型的可行性，其最大誤差穩(wěn)定在8%以內(nèi)，并且知道了放電倍率的大小對(duì)有限空間范圍內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)有直接影響，放電倍率越大，電流越大，有限空間范圍之內(nèi)的粒子運(yùn)動(dòng)更快達(dá)到相對(duì)“飽和”的狀態(tài)，溫度的提升也不會(huì)更加顯著，為此，可以在滿足電池各項(xiàng)參數(shù)的要求下，適當(dāng)縮減電池各部分體積來減小溫升。