白晟熙，顧海生，唐曙華（蘇州海格新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州215000）

動(dòng)力電池包的熱場(chǎng)分析

白晟熙，顧海生，唐曙華
（蘇州海格新能源汽車(chē)電控系統(tǒng)科技有限公司，江蘇蘇州215000）

分析對(duì)電池包生熱管控的必要性以及熱管理系統(tǒng)的功能和組成，基于傳熱學(xué)理論模型，應(yīng)用ICEPAK模擬軟件對(duì)某10.5 m純電動(dòng)客車(chē)的電池包熱場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果提出改進(jìn)措施。

電動(dòng)汽車(chē)；電池包；熱場(chǎng)分析；ICEPAK

電動(dòng)汽車(chē)安全事故日漸頻繁，其中大部分是由于電池包熱失控引起的火災(zāi)或爆炸。因此，有效的電池包熱管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)正確的理論計(jì)算及合理的數(shù)值模擬對(duì)電池包的熱場(chǎng)進(jìn)行分析，是電池包熱管理系統(tǒng)的前提和基礎(chǔ)。目前，電池的熱模型仍未達(dá)到成熟階段，如何保證動(dòng)力電池包的熱安全仍是值得探索的課題。本文基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件，對(duì)某10.5 m純電動(dòng)客車(chē)后廂內(nèi)兩個(gè)尾對(duì)尾的電池包應(yīng)用ICEPAK進(jìn)行熱模擬，對(duì)比測(cè)試及模擬結(jié)果并提出改進(jìn)散熱的技術(shù)方案。

1 鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)

鋰離子電池對(duì)溫度有著極大的敏感性，在高低溫下電池的性能會(huì)受到極大影響。因此，對(duì)于鋰離子電池及電池包溫度的管控十分重要。本文主要研究磷酸鐵鋰電池，它具有較高的質(zhì)量比容，穩(wěn)定的充放電平臺(tái)以及良好的循環(huán)壽命（約2 000次），但是在溫度超過(guò)55℃時(shí)，它的工作性能開(kāi)始衰減。此外，在過(guò)充電時(shí)，碳電極表面易析出金屬鋰枝晶而引起短路和熱失控；負(fù)極表面的SEI膜會(huì)形成一定的溫度效應(yīng)，熱阻增加到某一特定值可能會(huì)損壞隔膜，造成短路進(jìn)而可能起火爆炸[1]。另外，碳在低溫環(huán)境下嵌入負(fù)極的能力急劇下降，脫出負(fù)極的能力也有所下降，所以碳負(fù)極的鋰離子電池在低溫環(huán)境下充電比放電更難。磷酸鐵鋰電池的最低充電溫度接近0℃，因此需要在某些低溫場(chǎng)合加設(shè)加熱裝置[2]。

由于電池生產(chǎn)制造工藝水平有限，導(dǎo)致電池單體之間一致性本就不高，當(dāng)多個(gè)電池單體組成電池模塊時(shí)，電池單體很難發(fā)揮出單體最佳性能。隨著對(duì)電池包頻繁地大電流充放電，電池溫度很容易快速上升；并且受制于電池包的有限空間，產(chǎn)生的熱量逐漸積累，造成電池間溫度不均勻，進(jìn)一步影響電池單體的一致性。這會(huì)降低電池充放電效率，影響電能釋放，甚至導(dǎo)致熱失控及失火、爆炸等問(wèn)題，嚴(yán)重威脅整車(chē)系統(tǒng)的安全性與可靠性[3]。

因此，電池包熱管理系統(tǒng)BTMS需要實(shí)現(xiàn)以下功能：優(yōu)化每節(jié)單體和所有電池模塊的工作溫度，溫度較高時(shí)及時(shí)散熱，溫度較低時(shí)適度加熱；控制電池單體和模塊內(nèi)的溫差盡量?。豢刂撇煌K之間的溫差盡量??；結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，易于包裝，可靠性高，低成本；對(duì)于潛在危險(xiǎn)氣體，做好通風(fēng)設(shè)備[4]。

2 電池包傳熱理論模型

在電池包中，空氣自然對(duì)流、強(qiáng)制風(fēng)冷或液冷產(chǎn)生的流體流動(dòng)和電池產(chǎn)熱與外界進(jìn)行的熱傳遞同時(shí)存在，且均遵守質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律及能量守恒定律。對(duì)于電池包的溫度場(chǎng)及流場(chǎng)，計(jì)算流體力學(xué)CFD可以用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)的變量值的集合代替場(chǎng)內(nèi)連續(xù)的物理量，建立反映這些離散點(diǎn)場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，求解，進(jìn)而得到溫度和流體特征的近似值。

2.1 電池包溫度場(chǎng)

由于鋰離子電池在單位時(shí)間內(nèi)散熱和生熱，所以采用非穩(wěn)態(tài)傳熱的能量守恒方程計(jì)算電池?zé)崮Ｐ?，如式?）所示[5]。對(duì)于方形動(dòng)力電池，該模型可應(yīng)用于電池的任意微元體。

式中：ρ為電池單體平均密度，kg/m3；Cp為電池單體比熱容，J/（kg·K）；kx、ky、kz分別為電池內(nèi)部沿x、y、z方向上的熱導(dǎo)率，W/（m·K）。等式左側(cè)表示單位時(shí)間內(nèi)電池微元體熱力學(xué)能的增量（非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)），等式右側(cè)前三項(xiàng)表示電池微元體通過(guò)傳熱在單位時(shí)間內(nèi)增加的能量（擴(kuò)散項(xiàng)），最后一項(xiàng)表示電池生熱速率（源項(xiàng)）[6]。

2.2 電池包流體流場(chǎng)

對(duì)于電池包內(nèi)外的湍流流場(chǎng)（經(jīng)核算Re＞2 300），為了更真實(shí)地反映湍流粘度μt和耗散率ε，采用可實(shí)現(xiàn)的k-ε兩方程模型進(jìn)行計(jì)算[7]，式（2）和式（3）分別是湍動(dòng)能k、湍流耗散率ε的運(yùn)輸方程。

式中：Pk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；Pb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能生成項(xiàng)；μt為湍流粘性系數(shù)；模型常數(shù)C1ε=1.44，C2=1.9。

根據(jù)式（1）～式（3），即可對(duì)合理模型進(jìn)行熱模擬和風(fēng)速風(fēng)壓的模擬仿真。

3 CFD可靠性驗(yàn)證及實(shí)例改進(jìn)

3.1 電池包熱模型處理

工作中的電動(dòng)汽車(chē)，熱源是電池模塊本身，同時(shí)電池正負(fù)極極耳在電流通過(guò)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生熱量，其散熱環(huán)境由電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)提供。在進(jìn)行模擬時(shí)，熱模型可簡(jiǎn)化為：電池單體、兩極極耳以不同生熱速率產(chǎn)熱，熱量一部分由電池外殼傳到空氣中，另一部分自身加熱升溫[8]。由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電化學(xué)反應(yīng)、產(chǎn)熱機(jī)理、換熱機(jī)理均較復(fù)雜且空氣可視為不可壓縮粘性流體，為了簡(jiǎn)化模型實(shí)現(xiàn)模擬，可在仿真時(shí)根據(jù)一系列合理假設(shè)對(duì)模型作近似處理：電池內(nèi)部材料各向同性，物理化學(xué)性質(zhì)均一，各項(xiàng)熱物性參數(shù)不隨溫度、時(shí)間變化；電池內(nèi)部熱流量均勻產(chǎn)生，總生熱量在電池單體及模塊中心；忽略電池內(nèi)部熱對(duì)流和熱輻射的影響；電池單體及正負(fù)極極耳的生熱速率恒定[9]。

3.2 ICEPAK仿真實(shí)例

以某一純電動(dòng)客車(chē)為例，共有4個(gè)動(dòng)力電池包，每個(gè)電池包內(nèi)共80個(gè)單體電池，采用上層2并16串（32個(gè)單體電池），下層2并24串（48個(gè)單體電池）。現(xiàn)模擬后車(chē)廂內(nèi)兩個(gè)尾對(duì)尾的電池包在艙內(nèi)的溫度場(chǎng)。參照實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件：100 A放電3.6 h，環(huán)境溫度為25.8～29.1℃，充電能量、放電能量分別為198.248 kW·h、188.555 kW·h，將兩個(gè)電池包放置在沒(méi)有強(qiáng)制散熱條件下的環(huán)境中，即處于自然對(duì)流換熱環(huán)境下。采用ICEPAK模擬軟件，根據(jù)電池包外形尺寸建立1：1仿真模型（部分細(xì)節(jié)適當(dāng)簡(jiǎn)化）。為了防止計(jì)算區(qū)域cabinet的缺省邊界影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，一般需要建立足夠大的計(jì)算區(qū)域：沿著重力方向，發(fā)熱器件頂部需要有2倍器件高度以上的計(jì)算區(qū)域，器件底部需要有一倍器件高度以上的計(jì)算區(qū)域；器件四周需要有0.5倍器件高度的長(zhǎng)和寬的計(jì)算區(qū)域，且計(jì)算區(qū)域邊界設(shè)置為開(kāi)放邊界，即cabinet6個(gè)面均為opening[10]。

首先建立電池單體三維模型，使用block建立電池的內(nèi)核和電池的正負(fù)極極耳，使用帶厚度的enclosure建立電池殼體。由于采用自然對(duì)流換熱，為了更好地收斂，殘差因子中壓力項(xiàng)設(shè)為0.7，動(dòng)力項(xiàng)設(shè)為0.3[11]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境平均溫度，設(shè)定環(huán)境溫度為27℃。指定正負(fù)極耳材料分別為鋁和銅。根據(jù)式（4）和式（5）得出試驗(yàn)設(shè)備對(duì)電池包的充電能量E1及電池包對(duì)外部負(fù)載的放電能量E2之差即電池包內(nèi)阻的發(fā)熱量。由于充放電電流相近，充放電過(guò)程中電池包發(fā)熱功率可視為一致。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試320個(gè)單體電芯的充放電能量差，通過(guò)式（6）計(jì)算出單個(gè)電芯發(fā)熱功率為4.21 W。根據(jù)電芯的產(chǎn)品規(guī)格書(shū)，設(shè)定單體電芯的溫度極限為55℃。采用realizable k-εTwo-equation模型迭代計(jì)算100次，單體電芯的溫度分布云圖如圖1所示，電池單體最高溫度出現(xiàn)在中心區(qū)域。

式中：P1為試驗(yàn)設(shè)備對(duì)電池包的充電功率；U1為充電過(guò)程中電池包的端電壓；I1為充電電流；P2為電池包對(duì)外部負(fù)載的放電功率；U2為放電過(guò)程中電池包的端電壓；I2為放電電流；r為電池包內(nèi)阻。

圖1 穩(wěn)態(tài)下單體電芯的溫度云圖

然后建立電池模塊及電池包，電池包外殼采取plate拼接的方式。單體電芯與單體電芯間實(shí)際存在多處細(xì)小空隙，為了順利求解偏微分方程組，將單方向上多個(gè)細(xì)小空隙根據(jù)等體積原則簡(jiǎn)化為一個(gè)縫隙。采用realizable k-εTwo-equation模型迭代計(jì)算50次，兩個(gè)電池包的模擬結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 電池包1/2切面溫度分布云圖

圖3 電池表面溫度分布云圖

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示6個(gè)電池單體的溫度在34～35℃范圍內(nèi)；14個(gè)電池單體的溫度在35～36℃范圍內(nèi)；34個(gè)電池單體的溫度在36～37℃范圍內(nèi)；21個(gè)電池單體的溫度在37～38℃范圍內(nèi)；5個(gè)電池單體的溫度在38～39℃范圍內(nèi)。對(duì)比圖2和圖3和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果可知，溫度范圍及分布基本一致，均為34～40℃左右，由此證實(shí)了ICEPAK模擬電池包熱場(chǎng)分布的可靠性。此外，模擬和試驗(yàn)結(jié)果均表明，電池單體最高溫度40.27℃還需降低，單體間最大溫差6.27℃還需縮小。

3.3 電池包散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

由于自然對(duì)流的冷卻效果極其有限，而液冷又存在著管道排布、后期維護(hù)等問(wèn)題以及冷卻液滲漏等風(fēng)險(xiǎn)，因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)采用相對(duì)簡(jiǎn)單且成本較低的強(qiáng)迫風(fēng)冷。基于前述電池包模型，在每個(gè)電池包正上方引入空調(diào)風(fēng)，在電池包內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)迫對(duì)流。在ICEPAK模擬中，在同一位置采用三洋24 V DC 92 mm×92 mm×38 mm冷卻風(fēng)扇，根據(jù)冷卻風(fēng)扇規(guī)格說(shuō)明書(shū)，設(shè)置風(fēng)扇幾何參數(shù)并輸入風(fēng)機(jī)特性曲線。保留原有電池包模型參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)格參數(shù)、求解器設(shè)置，迭代計(jì)算50次，重新對(duì)兩個(gè)電池包的溫度分布進(jìn)行模擬。

由模擬計(jì)算得到的溫度分布云圖可知，電池單體最高溫度降低到37.61℃，單體間最大溫差縮小到3.5℃；改進(jìn)后的電池包模型有效地使電池單體最高溫度降低了2.66℃，使單體間最大溫差縮小了2.77℃。由此可知，在恰當(dāng)?shù)奈恢靡肟照{(diào)風(fēng)或使用冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫對(duì)流，可以有效地控制電池單體最高溫度及單體間最大溫差。另外，底層電池不會(huì)由于自然對(duì)流流經(jīng)的冷卻空氣少而熱量聚集，這進(jìn)一步提高了電池包的整體一致性，從而降低了電池包熱失控的風(fēng)險(xiǎn)，保障了電動(dòng)汽車(chē)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某10.5 m純電動(dòng)城市客車(chē)電池包的合理簡(jiǎn)化，建立了適合求解的ICEPAK電池包簡(jiǎn)化模型，設(shè)置合理的求解器迭代計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件下的溫度分布；通過(guò)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果作對(duì)比，驗(yàn)證了CFD的可靠性；針對(duì)自然風(fēng)冷的電池包進(jìn)行散熱方式的改進(jìn)，通過(guò)引入合適的風(fēng)機(jī)來(lái)降低單體電芯最高溫度及單體電芯間最大溫差。通過(guò)ICEPAK模擬軟件對(duì)電池包的熱場(chǎng)進(jìn)行仿真，為電池包的熱設(shè)計(jì)提供了參考。

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修改稿日期：2017-05-16

ThermalField Analysis of Power Battery Packs

BaiShengxi,Gu Haisheng,Tang Shuhua
（Suzhou Higer Renewable Energy Automobile Electronic ControlSystem Co.,Ltd,Suzhou 215000,China）

The authors analyze the necessity ofthermogenic controlofbattery packs and the functions and constitution ofthe thermalmanagementsystem.Based on the modelofheattransfer theory,they make a thermalfield simulation forthe powerbattery packs in a 10.5 m pure electric vehicle applying ICEPAK simulation software,and propose the improvementmeasures according to the simulation results.

electric vehicle;battery pack;thermalfield analysis;ICEPAK

U469.72

A

1006-3331（2017）04-0009-03

白晟熙（1992-），女，碩士；熱能工程師；主要從事電動(dòng)汽車(chē)電池包熱場(chǎng)仿真的研究工作。