商用電動(dòng)車電池模組熱管理研究

摘 要：文章在已有的研究成果基礎(chǔ)上，提出搭建特定模型分析電池模組產(chǎn)熱情況的研究思路，并結(jié)合有限元仿真計(jì)算方法，進(jìn)一步探究基于不同環(huán)境溫度條件，電池在不同恒流倍率工況下的熱流特性。研究結(jié)果表明，根據(jù)仿真分析結(jié)果所提出的電池模塊風(fēng)道改進(jìn)方案，可以有效降低電池模組最高溫度，同時(shí)解決內(nèi)部溫度分布不均勻問題，能為后續(xù)優(yōu)化商用電動(dòng)車電池設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：商用電動(dòng)車 電池模組 熱管理

電動(dòng)車電池模組長期處于高溫條件下，不僅會(huì)加劇電池、隔膜等部件老化，也會(huì)隨著電池溫度不斷升高或隔膜損壞嚴(yán)重而引發(fā)電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象，導(dǎo)致電池容量降低，縮減電池使用期限。若未能及時(shí)處理上述情況，則會(huì)導(dǎo)致電池燃燒、爆炸等安全事故發(fā)生。因此，本文提出一種利用有限元仿真計(jì)算的方法，對不同恒流倍率工況下的電池模塊熱特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)合仿真結(jié)果，提出改進(jìn)電池模組風(fēng)道方案，降低電池模組最高溫度，同時(shí)解決內(nèi)部溫度分布不均勻問題。

1 電動(dòng)車電池模組熱管理研究現(xiàn)狀

通過分析電動(dòng)車電池模組運(yùn)行情況，得知導(dǎo)致電池?zé)崾Э卦蛑饕婕皟煞矫?，分別是電池溫度過高和隔膜損壞嚴(yán)重。當(dāng)電池模組處于高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，則會(huì)加劇電池及隔膜老化，在一定程度上也會(huì)降低電池容量，且無法恢復(fù)，導(dǎo)致電池壽命縮短；一旦有大量熱量在電池模組內(nèi)部積累，不僅會(huì)造成電池局部溫度升高，也會(huì)引發(fā)電池短路、熱失控等隱患，增加電池燃燒、爆炸等事故發(fā)生概率，威脅人的生命安全。目前電池模組熱特性逐漸成為商用電動(dòng)車電池散熱性能優(yōu)化研究的切入點(diǎn)，以提高電池模組安全性和可靠性，降低商用電動(dòng)車熱失控發(fā)生燃燒、爆炸等安全事故發(fā)生概率，進(jìn)而開發(fā)出兼具經(jīng)濟(jì)性與安全性的商用電動(dòng)車[1]。

其中電池?zé)峁芾硎乾F(xiàn)階段電動(dòng)車熱安全性研究方面所關(guān)注的重點(diǎn)，從現(xiàn)有國內(nèi)外研究成果來看，大部分研究工作重點(diǎn)均指向電池產(chǎn)熱和散熱方面，部分學(xué)者提出利用熱耦合模型對鋰離子電池的電化學(xué)性能進(jìn)行分析，得知鋰離子電池的接觸內(nèi)阻是導(dǎo)致電池產(chǎn)熱現(xiàn)象出現(xiàn)的主要因素。通過進(jìn)一步研究電池工作生熱特性，發(fā)現(xiàn)可以利用特定的電池生熱速率模型獲取關(guān)于電池工作生熱特性的參數(shù)，前提是必須保證電池內(nèi)部生熱熱源穩(wěn)定性以及電池組分布均勻性。各方面性能表現(xiàn)較好的電池，處于放電狀態(tài)時(shí)，伴隨過電勢濃度低現(xiàn)象，其混合熱可以忽略不計(jì)。由此可知，電池溫度與分布情況對電池壽命及安全性有著直接影響。從電動(dòng)車電池組的熱性能與使用壽命兩方面展開研究，發(fā)現(xiàn)不同類型電動(dòng)車均存在電池組溫差過大時(shí)，會(huì)降低電池組容量的情況；并通過開展相關(guān)試驗(yàn)研究，確定了將電池組內(nèi)部溫度控制在30℃-40℃范圍內(nèi)能夠有效緩解電池組容量急速降低的情況。

通過深入研究電池?zé)崽匦?，以相關(guān)理論為支撐，提出利用鋰離子電池集熱模型預(yù)測混合動(dòng)力型車輛的鋰離子電池組熱特性，從研究結(jié)果來看，對冷卻系統(tǒng)中的風(fēng)道寬度、流體流量等參數(shù)合理設(shè)置，或者為電動(dòng)車配置具有加強(qiáng)散熱性能的冷卻系統(tǒng)，不僅可以防止電池組溫度突然升高，又能對電池組溫差起到有效控制作用。其中部分研究人員根據(jù)上述結(jié)論，提出以熱仿真方式探究改進(jìn)鋰離子電池原有冷卻結(jié)構(gòu)（強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)）的可行性，仿真結(jié)果表明，電池組最高溫度得到相應(yīng)降低，且電池間的溫差也明顯縮減，說明改進(jìn)冷卻結(jié)構(gòu)有利于提高電池組散熱效果，可以增強(qiáng)電動(dòng)車電池的熱安全性和熱可靠性。相較于乘用車，商用電動(dòng)車面臨著極為復(fù)雜的工作條件，對電池的熱安全提出更高要求，研究商用電動(dòng)車電池模組熱管理并改善電池模塊熱特性是目前主要任務(wù)。

2 基于商用電動(dòng)車的電池模組熱管理方法

2.1 搭建電池組模型

2.1.1 計(jì)算鋰離子電池產(chǎn)熱的模型

基于充放電情況下，當(dāng)電池內(nèi)部有不同化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)，會(huì)引起熱行為和電池內(nèi)阻現(xiàn)象，致使電池產(chǎn)生焦耳熱，該過程即是鋰離子電池生熱原理。其焦耳熱主要包括電化學(xué)反應(yīng)熱、電解液分散熱等。在確保電池內(nèi)部生熱熱源和電池組部分的穩(wěn)定性和均勻性前提下，搭建電池組速率模型，通過該模型計(jì)算工作條件下的電池生熱速率。其計(jì)算公式如下：

式中表示充放電狀態(tài)下電池的電流，A；表示電池組中單個(gè)電池的體積；表示單個(gè)電池對應(yīng)的開路電壓；表示單個(gè)電池的端電壓；表示熱力學(xué)溫度；表示溫度影響系數(shù)，計(jì)算中取值0.04mV/K。其中鋰離子電池生熱原理中的電池內(nèi)產(chǎn)生不同化學(xué)反應(yīng)時(shí)對應(yīng)的焦耳熱、可逆反應(yīng)熱分別用（）、表示[2]。在此基礎(chǔ)上，獲得電池的生熱速率以及產(chǎn)熱結(jié)果?？捎孟率龉竭M(jìn)行表示：

式中可替換

2.1.2 選擇與設(shè)置電池模塊參數(shù)

通常情況下，商用電動(dòng)車電池總?cè)萘坑凶畹皖~定標(biāo)準(zhǔn)，最小電池容量不低于140kW·h。假設(shè)，電池模塊能量為40kW·h，若想保證其工作穩(wěn)定性，并滿足不同工作條件的供電需求，電池模塊配置數(shù)量不得少于4個(gè)。同時(shí)以排列方式將多個(gè)電池模塊組合在一起，形成電池模組。

依據(jù)所掌握車架信息，組成規(guī)格為2×6的電池模組，需要電池模塊12個(gè)，采取串聯(lián)方式將各電池模塊進(jìn)行連接，電池單體數(shù)量總計(jì)120個(gè)，電池模組電壓設(shè)置為192V。為了使電池模塊參數(shù)設(shè)置符合商用電動(dòng)車輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行串聯(lián)的電池模組最少為3個(gè)，當(dāng)前電池模組電壓即可達(dá)到576V?？梢愿鶕?jù)具體情況，調(diào)整串聯(lián)電池模組數(shù)量，直至電池模組電壓符合商用電動(dòng)車輸出電壓標(biāo)準(zhǔn)。

綜合考慮單個(gè)電池極柱效應(yīng)對整個(gè)電池模組溫度場影響，雖然無較大影響，但在選擇和設(shè)置電池模塊參數(shù)時(shí)，仍要考慮該方面影響因素；在搭建模型階段，需要簡化處理電池模塊中的每節(jié)單個(gè)電池（呈方形狀的磷酸鐵鋰電池）。鋰離子電池模塊參數(shù)設(shè)置參考表1。

結(jié)合表1所選擇和設(shè)置的鋰離子電池模塊參數(shù)，將其在仿真軟件中輸入，將獲得規(guī)格為200×130×36的電池模組，其中單個(gè)電池額定電壓、電池容量設(shè)置為3.2V、105Ah。

此外，將耦合傳熱作為模型中電池模塊與電池模塊壁面相接觸部位的邊界條件，在結(jié)合具體研究要求，調(diào)整該邊界條件的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析電池模組熱流分布情況提供參考依據(jù)。

2.2 商用電動(dòng)車電池模塊基于不同恒流倍率條件下的熱特性仿真

為了確保仿真計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，需要在仿真分析前，根據(jù)鋰離子電池模塊熱特性，設(shè)置多個(gè)熱流場數(shù)值分析條件，通過對比不同分析條件的仿真結(jié)果，以確定商用電動(dòng)車電池模塊穩(wěn)態(tài)熱特性。將電池模塊中單個(gè)電池設(shè)置為均勻發(fā)熱體，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，其熱特性參數(shù)、電池生熱速率均不會(huì)受到影響；因流體邊界壓力為零，在仿真計(jì)算過程中可以忽略其慣性力。考慮商用電動(dòng)車電池模塊在不同恒流倍率條件下，其對應(yīng)的電池生熱速率也存在一定差異，在此基礎(chǔ)上分析電池模塊在0.5C-1C的恒流倍率工況下的熱流特性，確保分析結(jié)果準(zhǔn)確性。設(shè)置進(jìn)風(fēng)口速度與溫度參數(shù)，分別是2.5m/s、35℃，觀察電池模塊熱流場分布情況。

從原模型電池模塊最高溫度對比情況來看，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，0.5C恒流倍率工況對應(yīng)的原模型電池模塊最高溫度為301.97K；1C恒流倍率工況對應(yīng)的原模型電池模塊最高溫度為320.49K。環(huán)境溫度為35℃時(shí)，0.5C恒流倍率工況對應(yīng)的原模型電池模塊最高溫度為312.05K；1C恒流倍率工況對應(yīng)的原模型電池模塊最高溫度為328.71K。

（1）根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，商用電動(dòng)車電池模組最高溫度上升至47.49℃，二者溫差為22.49℃[3]。

（2）當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，商用電動(dòng)車電池模組最高溫度上升至55.71℃，二者溫差為20.71℃。

（3）從溫度分布情況來看，電池模組內(nèi)部溫度分布高度呈不均勻狀，與出風(fēng)口距離較近位置，該位置電池溫度明顯高于進(jìn)風(fēng)口位置的電池溫度；與風(fēng)口同一側(cè)的電池模組溫度分布則是較為均勻。

（4）從流體分布情況來看，前期進(jìn)風(fēng)口速度為2.5m/s，隨后電池模組內(nèi)部最大風(fēng)速升至4.48m/s，對比進(jìn)、出風(fēng)口位置的風(fēng)速，進(jìn)出口風(fēng)速較大。

（5）從0.5C恒流倍率工況與1C恒流倍率工況各自對應(yīng)的電池模塊溫度變化情況來看，當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，0.5C恒流倍率工況下的電池模塊溫度明顯低于1C恒流倍率工況電池模塊溫度，二者溫度差為18.52℃；當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)，同樣存在上述情況，二者溫度差為16.66℃。不同恒流倍率工況下電池模組溫度升高原因，與恒流倍率增大時(shí)，電池生熱速率也隨之發(fā)生改變有著直接關(guān)系。

3 電池模塊風(fēng)道改進(jìn)方案

3.1 電池模塊風(fēng)道改進(jìn)方案可行性

結(jié)合上述仿真分析結(jié)果，在此基礎(chǔ)上提出兩個(gè)商用電動(dòng)車電池模塊風(fēng)道改進(jìn)方案，以電池溫度降低效果為評估指標(biāo)。改進(jìn)方案內(nèi)容如下：

一是，增加進(jìn)、出風(fēng)口的數(shù)量，原進(jìn)、出風(fēng)口數(shù)量各自均有3個(gè)，將其調(diào)整至各5個(gè)，以此解決電池模組溫度高和高度分布不均勻問題。（方案A）

二是，重新調(diào)整電池模組的風(fēng)道，在其左右兩側(cè)各增加進(jìn)風(fēng)口5個(gè)，上下兩側(cè)各增加1個(gè)出風(fēng)口。（方案B）

（1）設(shè)置進(jìn)口初始溫度：35℃；進(jìn)口風(fēng)速：2.5m/s。從上述兩種方案的熱流場仿真計(jì)算結(jié)果來看，與原有電池模組的散熱結(jié)構(gòu)相對比，采用方案A后，在1C恒流倍率工況下，環(huán)境溫度為35℃時(shí)，從電池模組截面溫度云圖來看，電池模組溫度得到相應(yīng)降低，但最高溫度也僅是比原電池模組的散熱結(jié)構(gòu)降低3℃左右；雖然該改進(jìn)方案的采用，改進(jìn)電池模塊風(fēng)道后，使電池模組溫度適當(dāng)降低，但由于電池模組兩側(cè)溫度仍較高，溫度分布不均勻問題未解決，與原電池模組散熱結(jié)構(gòu)溫差分布也僅是相對縮小，與出風(fēng)口中間部位相靠近的電池模塊，其溫度降低程度最為明顯。該方案中使最高風(fēng)速增大，且高于原電池模組散熱結(jié)構(gòu)，由此可知，風(fēng)速適當(dāng)增加，有利于提升電池模組散熱性能。

（2）采用方案B后，在0.5C恒流倍率工況下，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，原模型電池模組最高溫度（熱力學(xué)溫度）為301.97K；方案A電池模組最高溫度為301.18K；方案B電池模組最高溫度為300.45K。環(huán)境溫度為35℃時(shí)，原模型電池模組最高溫度（熱力學(xué)溫度）為312.05K；方案A電池模組最高溫度為312.05K；方案B電池模組最高溫度為310.45K[4]。

在1C恒流倍率工況下，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，原模型電池模組最高溫度（熱力學(xué)溫度）為320.49K；方案A電池模組最高溫度為315.39K；方案B電池模組最高溫度為311.89K。環(huán)境溫度為35℃時(shí)，原模型電池模組最高溫度（熱力學(xué)溫度）為328.71K；方案A電池模組最高溫度為325.59K；方案B電池模組最高溫度為321.89K。

（3）從上述各模型電池模組最高溫度對比情況來看，電池模組處于1C恒流倍率工況下，方案B的散熱效果明顯由于原模型和方案A。環(huán)境溫度為25℃時(shí)，采用方案B后，當(dāng)前電池模組最高溫度僅有38.89℃，與原模型電池溫度模組溫差為8.6℃，說明采用該方案改進(jìn)電池模組風(fēng)道后，可以使最高溫度不超過40℃。環(huán)境溫度為35℃時(shí)，電池模組最高溫度為48.89℃，與原模型電池溫度模組溫差為6.82℃，采用該方案改進(jìn)電池模組風(fēng)道后，可以使最高溫度不超過50℃。從各模型電池模組內(nèi)部溫度分布情況來看，方案B電池模組內(nèi)部溫度分布更加均勻，在一定程度上能夠解決原電池模組散熱結(jié)構(gòu)所存在的內(nèi)部溫度分布不均勻問題。

（4）結(jié)合不同恒流倍率工況下的各模型電池模組最高溫度對比結(jié)果，相較于原模型的散熱結(jié)構(gòu)，改進(jìn)方案A或方案B軍均能有效降低電池模塊最高溫度；且方案B降溫效果優(yōu)于方案A。且采用方案B后，可以實(shí)現(xiàn)在降低電池模塊最高溫度基礎(chǔ)上，解決電池模塊內(nèi)部溫度分布不均勻問題?；敬_定無論是在常溫或是高溫條件下，方案B在電池模塊最高溫度降低和緩解溫度均勻分布情況兩方面均有著一定效果。

3.2 結(jié)論

物理破壞試驗(yàn)是過去檢測商用電動(dòng)車電池模組熱安全與老化性能主要采用的方式，但檢測周期較長；本文提出一種利用有限元仿真計(jì)算的方法，并搭建測試模型，在電池模組前期開發(fā)階段進(jìn)行仿真試驗(yàn)，解決產(chǎn)品試制次數(shù)過多而導(dǎo)致開發(fā)成本增加的問題，同時(shí)又能利用該模型進(jìn)一步探究上述兩種改進(jìn)方案的可行性，根據(jù)分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：（1）從電池模組熱流分布情況來看，電池模塊內(nèi)部溫度分布不均勻現(xiàn)象較為明顯，與進(jìn)風(fēng)口靠近的電池模組溫度明顯低于靠近出風(fēng)口電池模組的溫度。（2）隨著環(huán)境溫度升高與恒流倍率增大，會(huì)直接導(dǎo)致整個(gè)電池模組溫度負(fù)荷變大[5]。（3）對原電池模組的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加進(jìn)、出風(fēng)口數(shù)量，在一定程度上使電池模塊溫度適當(dāng)降低。（4）將進(jìn)風(fēng)口在電池模塊上的分布位置進(jìn)行調(diào)整后，明顯增加了風(fēng)速，有效改善了電池模塊內(nèi)部溫度均勻分布情況。

綜合上述內(nèi)容，針對常溫或高溫環(huán)境條件，電池在不同恒流倍率工況下的熱流特性變化情況，得知隨著溫度升高和電流倍率增加，會(huì)使電池模組溫度發(fā)生改變，伴隨溫度過高和內(nèi)部溫度分布不均勻現(xiàn)象。在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)電池模塊風(fēng)道方案，即在其左右兩側(cè)各增加進(jìn)風(fēng)口5個(gè)，上下兩側(cè)各增加1個(gè)出風(fēng)口，達(dá)到增加最高風(fēng)速和電池模塊中空氣粒子流動(dòng)密度目的，以降低電池模組整體溫度，解決溫度分布不一致問題。

4 結(jié)語

綜上所述，商用電動(dòng)車具備可觀的經(jīng)濟(jì)性和安全性，有利于提高商用電動(dòng)車銷售量以及增強(qiáng)市場競爭力，其中電池模組熱管理則是影響商用電動(dòng)車這兩項(xiàng)條件的關(guān)鍵因素。本文提出搭建電池組模型以及配合電池模塊熱特性仿真等方法，進(jìn)一步研究處于常溫和高溫狀態(tài)下電池模組最高溫度與分布情況，在此基礎(chǔ)上提出針對性改進(jìn)建議，為商用電動(dòng)車電池模組熱管理優(yōu)化提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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