新能源汽車動(dòng)力電池包生熱量仿真分析

張鵬 張楠 段德昊

摘 要：某車型電池包箱體空間較小，電池單體的散熱效果受結(jié)構(gòu)限制，在極端工況下極易產(chǎn)生電芯高溫?zé)崾Э貑栴}進(jìn)而影響行車安全。因此在該電池包設(shè)計(jì)過程中，電芯堆疊熱設(shè)計(jì)就顯得極為關(guān)鍵，文章采用Matlab仿真程序，基于戴維南單體電池模型和HPPC測試，完成了某新能源汽車電池包熱生熱量仿真分析，對比了25℃與40℃環(huán)境溫度下電池單體在不同工況下的生熱性能，為三維電池包熱仿真提供必要的輸入條件。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;電池包;HPPC測試;生熱量;仿真

中圖分類號：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）09-22-03

Simulation Analysis of Heat Generation of New Energy Vehicle Power Battery Pack

Zhang Peng¹， Zhang Nan²， Duan Dehao¹

（ 1.Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd. Automotive Engineering Institute， Guangdong Guangzhou 511434;2.Chongqing IAT Automotive Technology Co.， Ltd，Chongqing 400026）

Abstract：The space of a battery pack in a certain vehicle model is small， and the heat dissipation effect of the battery cell is limited by the structure. Under extreme conditions， it is easy to cause the problem of high temperature thermal runaway of the battery cell and thus affect driving safety. Therefore， in the process of designing the battery pack， the thermal design of the cell stack becomes extremely critical. This paper uses Matlab simulation program， based on Thevenin's single cell model and HPPC test， to complete a simulation analysis of the heat generation of a new energy vehicle battery pack. The heat generation performance of battery cells under different operating conditions at 25℃?and 40℃?ambient temperatures is provided， which provides necessary input conditions for 3D battery pack thermal simulation.

Keywords： New Energy vehicle; Battery pack; HPPC test; Heat generation; Simulation

CLC NO.：U469.7 ?Document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）09-22-03

前言

新能源汽車由于布置空間限制，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電芯堆疊過密的問題，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致電池包內(nèi)部熱量堆積。因此針對電池包的熱防護(hù)設(shè)計(jì)在整車熱管理中至關(guān)重要。

車型開發(fā)過程中，電池包環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)需要待樣件制作完成后才可進(jìn)行，且實(shí)驗(yàn)成本高、實(shí)驗(yàn)周期長;本文通過仿真的方法可以最大限度的節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，縮短開發(fā)周期。

1?戴維南單體電池模型

本文采用Thevenin模型，包含一個(gè)電壓源和一個(gè)RC并聯(lián)電路R1和C1構(gòu)成的回路用來模擬電池的動(dòng)態(tài)過程，這種模型考慮到了電動(dòng)勢與SOC之間的關(guān)系在電池?zé)岱治鲋袘?yīng)用較為廣泛。

其中Voc_bat-電動(dòng)勢?U bat-端電壓?I bat-電路電流?Rs-等效電阻?R1-等效極化內(nèi)阻?C1-等效極化電容。

2 電池單體模型參數(shù)

仿真過程中電池單體參數(shù)的輸入準(zhǔn)確度直接影響到最終發(fā)熱量的計(jì)算準(zhǔn)確度，對于等效RC模型中的等效電阻、等效極化內(nèi)阻、等效極化電容均通過測試的方法來獲取。

將按國標(biāo)要求充滿電的電池，在國標(biāo)規(guī)定的時(shí)間和溫度條件下，在環(huán)境倉中靜置，結(jié)合Arbin等電池綜合性能實(shí)驗(yàn)臺，按照Freedom CAR ?Power Assist Battery Test Manual中HPPC的測試獲取如圖2所示參數(shù)：

鋰離子電池荷電狀態(tài)的變化將引起電解液的導(dǎo)電能力及鋰離子濃度變化，本文依次在SOC：100%、90%、80%...20%、10%下共10個(gè)SOC狀態(tài)點(diǎn)完成HPPC工況下的充放電性能測試紀(jì)錄電池單體在正反脈沖作用下的端電壓變化，并計(jì)算此時(shí)電池內(nèi)組值。^[9]

溫度也是影響鋰電池內(nèi)阻變化的關(guān)鍵因素，電池廠商一般建議電池工作在25℃與40℃直接，因此本文選取25℃與40℃兩個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測試。^[9]

3?仿真模型

根據(jù)戴維南單體電池模型，考慮本文電池包模型圖1所示：

圖3所示等效單體電池模型中相關(guān)參數(shù)按照如下公式進(jìn)行計(jì)算：

a.充放電功率：

b.等效單體電池模型端電壓：

c.單體電池一階RC電路運(yùn)算關(guān)系：

d.單體電池發(fā)熱量：

模型中考慮溫度為電芯所處的環(huán)境溫度，工況充放電電流均來源于整車模型仿真上游輸入。

4?結(jié)果分析

4.1?25℃和40℃ 20個(gè)NEDC工況

4.2 25℃和40℃?23個(gè)FTP72工況

4.3 25℃?40℃?11個(gè)HWFET工況

5?結(jié)論

根據(jù)仿真結(jié)果，該電芯SOC變化不同溫度下變化趨勢大體相同，電芯再高溫環(huán)境中產(chǎn)熱量更大，低SOC狀態(tài)下比高SOC狀態(tài)下產(chǎn)熱量有明顯增加。

通過熱源對于新能源車型，進(jìn)行電池包發(fā)熱仿真分析，可在前期給出該電芯產(chǎn)熱趨勢以及不同溫度對其的生熱量的影響，并且可以充分評估該電芯搭載不同車型和在不同工況下的表現(xiàn)，更重要的，該仿真分析可以給后續(xù)相關(guān)電池包模組及整包級的仿真提供較為準(zhǔn)確的熱源輸入。進(jìn)而在樣車試制前進(jìn)行電芯堆疊以及冷卻方式提供先期設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從而達(dá)到節(jié)約開發(fā)時(shí)間，節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用的目的。

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