電池模組垂直方向溫度場仿真與實驗分析

王佳琪，陳立鐸，許佩佩

(1.愛馳汽車(上海)有限公司，上海 200082；2.中汽研汽車檢驗中心(天津)有限公司天津市電動汽車評價技術企業(yè)重點實驗室，天津 300300；3.廣州明美新能源股份有限公司，廣東廣州 510000)

隨著全球燃油汽車總量不斷增加，汽車尾氣導致的環(huán)境污染越來越嚴重。化石能源也在不斷消耗，可以預見未來會出現化石能源短缺情況。因此，世界各國政府高度重視并支持可以替代燃油汽車的新能源汽車技術及產業(yè)的發(fā)展。中國汽車工業(yè)協會發(fā)布的產銷數據顯示，2019 年我國新能源汽車產銷分別為124.2 萬輛和120.6 萬輛，產銷量位居全球第一。

新能源汽車動力電池組熱管理很重要，它起著保持電池組內單體之間溫度平衡、控制電池組處于適宜合理的工作溫度范圍等作用。按照熱管理策略對電池包內的電池模組進行主動溫控，低溫時加熱升溫，高溫時冷卻散熱，科學的熱管理使電池組安全可靠并獲得較長的使用壽命。

電池組熱管理仿真技術研究已相當深入，Yu 等[1]基于Bernardi 提出電池產熱速率方程，設計系列實驗對電池內阻、熱物性參數和溫度系數進行測試和仿真，并準確預測電池不同放電倍率下溫升。張立軍等[2]結合一維電化學產熱模型和三維分層模型建立耦合模型，準確預測電池內部各層級溫度場分布。Ashkan 等[3]通過建立物理場模型和有限元模型探究電池在不同放電工況下的生熱速率特性，以研究結果為依據預測電池發(fā)熱狀況。Guo 等[4]將二維熱模型和電化學模型進行組合，通過線性逼近方法求解電池包和單體電池正負極極柱溫度場分布。

電動汽車熱管理技術及仿真等研究工作大多聚焦在單體水平上，對電池內部溫度場研究較為深入透徹。電池包內模組溫度場分布情況研究較少。常見電池包內有多個電池模組，每個模組內含多個單體電池，單體電池通過串并方式組合在一起。電池包、電池模組、單體電池有特定容量、尺寸、質量。模組由單體電池、線排(busbar)、端板、側板、上蓋、絕緣罩、絕緣膜、線束隔離板、功率輸出端子等部分組成。端板夾緊電池，并由側板端板焊接固定，電池之間連接鋁條采用激光焊接。導熱墊位于液冷板和電池模組之間，它是電池加熱和冷卻時的熱量通道[5]，模組內溫度場分布可以一定程度上替代電池包內溫度場分布[6]。

選用VDA(德國汽車工業(yè)聯合會)355 標準尺寸模組，對其進行高度方向溫度場仿真，并開展實驗，測量充放電過程模組底部、上表面、側板等高度方向各點溫度數據。將仿真數據與實驗數據進行對比分析。

1 實驗

1.1 實驗樣品

表1 為本文實驗所用電池模組性能參數。

表1 鋰離子電池模組參數

1.2 仿真測試方法

電池包由上蓋、隔熱墊、模組、導熱材料、隔離鋁板、冷卻板、支撐材料及殼體下底板構成[7]，電池包結構見圖1。電池包內裝有N個模組，采用液冷冷卻，模組結構見圖2。

圖1 電池包結構

圖2 模組結構示意圖

采用Floefd 軟件對液冷電池包進行熱仿真分析，Floefd可以無縫集成于Catia 軟件中，在模型轉化、模型處理以及網格、收斂分析步驟中具有獨特優(yōu)勢。表2 為仿真模型材料參數設置。

表2 材料設置參數

計算域中設定了兩種域。一種是流體域，其中冷卻管路中設定為50%乙二醇溶液，入口設置為流量入口，出口設置為壓力出口，其余流體域為理想空氣；另一種為電池所在的固體域。仿真計算時，將單體電池假定為均勻的發(fā)熱體。

仿真計算流域設置參數見表3。整個計算周期內為瞬態(tài)仿真。

表3 仿真參數設置

圖3 為電池系統(tǒng)1C放電工況下發(fā)熱量曲線，用絕熱加速量熱儀(ARC)實測單體1C放電工況下發(fā)熱量。

圖3 電池系統(tǒng)1 C放電工況發(fā)熱量

1.3 測試驗證

使用福建星云電子NEEF250 型充放電設備給電池充放電，單通道電壓范圍50～900 V，單通道最大電流400 A(可設置)。溫度采集裝置使用日本橫河GYL-03-C04 型多通道數據采集儀。

測試驗證流程：

(1)12#和24#兩個模組按照圖4 和圖5 溫度傳感器布點圖預埋溫度采樣線，然后裝配到電池包內。測試環(huán)境溫度25 ℃，充放電過程中開啟水冷系統(tǒng)，冷卻水溫度25 ℃，流量10 L/min；

圖4 12#模組溫度傳感器布點圖

圖5 24#模組溫度傳感器布點圖

(2)電池包放于25 ℃環(huán)境箱內，擱置12 h；

(3)以1C(180 A)恒流放電至單體最低電壓2.8 V 時止；

(4)擱置12 h，單體電池溫度達到(25±1)℃；

(5)以1C(180 A)恒流充電至單體最高電壓4.14 V 止；

(6)擱置12 h，單體電池溫度達到(25±1)℃；

(7)以1C(180 A)恒流放電至單體最低電壓2.8 V 止。

熱敏電阻按照溫度系數分為正溫度系數熱敏電阻(PTC)和負溫度系數熱敏電阻(NTC)，本次選用的模組用的是負溫度系數熱敏電阻。測試模組粘貼了熱偶溫度傳感器。

12#模組表面共布置15 個熱電偶，編號79～83 的5 個熱偶貼在模組Busbar 上，編號為122～124 的3 個熱偶布置在模組側面，編號為125～129 的5 個熱偶貼在模組底面，編號為24 和27 的2 個熱偶布置在模組導熱墊下表面，用于測量水冷板表面溫度。編號117、118 是模組自帶的2 個負溫度系數熱敏電阻，一上一下布在模組中間，用于溫度監(jiān)控。

24#模組表面共布置15 個熱電偶，編號29～33 的5 個熱偶貼在模組Busbar 上，編號為109～111 的3 個熱偶布置在模組側面，編號為112～116 的5 個熱偶貼在模組底面，編號為1 和2的2 個熱偶布置在模組導熱墊下表面，用于測量水冷板表面溫度。編號107、108 是模組自帶的2 個負溫度系數熱敏電阻，一上一下布在模組中間，用于溫度監(jiān)控。

2 結果與討論

2.1 仿真測試結果

圖6 和圖7 分別是12#和24#模組仿真熱分析的切面溫度分布云圖。

圖6 12#模組切面溫度云圖

圖7 24#模組切面溫度云圖

從云圖看出，模組上部和底部溫度差達到10 ℃，與Christophe Forgez 等[8-10]實驗數據“電池表面與中心最大溫差達到10 ℃”相吻合。電池內部溫度場分布不均勻。導熱墊上下表面溫度差2 ℃。溫度場仿真數據見表4。

表4 電池系統(tǒng)內模組高度方向溫度場仿真結果

電池模組最高溫度是模組上表面的溫度，高于環(huán)境溫度，有16 ℃溫差。最低溫度是模組底部，貼近水冷板位置。冷卻液流動帶走了電池放電過程產生的熱量[11]。

2.2 測試驗證結果

測試1C放電時12#和24#模組及水冷板表面溫度，獲取電池模組高度方向溫度場分布數據。兩個模組不同位置溫度隨時間變化曲線見圖8。

圖8 模組在1 C放電時的溫度曲線

圖8(a)為12#模組溫度數據，在1C放電過程中，Busbar溫度達到45.2 ℃，模組底部溫度33.1 ℃，溫度差12 ℃。這與仿真結果10.77 ℃接近；導熱墊上表面與水冷板溫度差2 ℃，與仿真結果2.16 ℃基本一致。

圖8(b)為24#模組溫度數據，在1C放電過程中，Busbar溫度達到45.9 ℃，模組底部溫度32.4 ℃左右，溫度差13.5 ℃，這與仿真結果10.61 ℃接近；導熱墊上表面與水冷板溫度差2 ℃，與仿真結果1.84 ℃基本一致。模組側面高度方向溫差1 ℃，上表面與高度方向溫差小于5 ℃，底面與高度方向溫差小于8 ℃?；c為上表面、側面和底面的最高溫度，三者間互相進行比較得出。

12#、24#模組仿真和實測溫度數據比對說明仿真模型是適用且符合實際。12#和24#模組各布了3 個點，對這3 個點的溫度進行比較得出：側面高度方向溫差在1 ℃以內。

3 結論

通過電池模組熱仿真及驗證測試，獲得放電時模組溫度場分布數據。室溫(25 ℃)開啟流量為10 L/min 水冷系統(tǒng)，電池1C放電時，實測模組上表面最高溫度45 ℃，最高與最低溫度差12 ℃，與仿真結果一致；模組導熱墊上下表面溫度差2 ℃，也與仿真結果一致。模組側面高度方向溫差1 ℃，上表面與高度方向溫差小于5 ℃，底面與高度方向溫差小于8 ℃。