盤朝奉，李桂權，陳　龍，b，周孔亢

(江蘇大學　a.汽車與交通工程學院； b.汽車工程研究院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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城市循環(huán)工況下純電動汽車動力電池包溫度場分析

盤朝奉a,b，李桂權a，陳龍a，b，周孔亢a

(江蘇大學a.汽車與交通工程學院； b.汽車工程研究院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

針對電動汽車的動力電池的發(fā)熱問題，將某新型城市微型電動車及其動力電池作為研究對象，對電池模型進行了CFD發(fā)熱仿真分析，同時使用該整車進行循環(huán)工況的轉轂實驗和電池內阻測試實驗，得到電池的實際發(fā)熱數據，經對比兩者較吻合。研究發(fā)現:電池組的中心部位過熱，主要是由于內部與外界熱交換較少，電池單體間雖然有間隙，但空氣的導熱性較差,流通性不足。

三元鋰電池；熱分析；溫度場；純電動汽車

電池是純電動汽車的幾大核心部件之一。動力電池經過一段時間的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池的能量密度已遇到瓶頸，而三元鋰電池(Li(NixCoxMnx)O2)成為了更好的選擇。三元鋰電池具有鎳酸鋰的高比容量、鈷酸鋰的優(yōu)秀循環(huán)性能，以及錳酸鋰的低成本及高安全性[1-3]，其超高的能量密度可以緩解續(xù)航里程短的缺點，但帶來的發(fā)熱問題卻更加嚴重。過高的溫度不僅會影響電池的壽命，更會導致鋰電池的正極材料脫落分解、負極與電解液反應、薄膜刺穿等嚴重安全隱患[4-6]。

文獻[7]通過實驗驗證了仿真過程的正確性，在此基礎上用仿真的方法分析了環(huán)境溫度和道路坡度對鋰離子動力電池組溫度升高的影響，并得到該電池處于一定環(huán)境溫度時電池組工作性能最優(yōu)及電動汽車行駛的地面坡度對電池組的溫升影響較大等結果。文獻[8]基于某電動汽車三元鋰電池，從電池組的角度，對處于不同溫度下電池的直流阻抗、容量效率、能量效率等方面進行評測，詳細分析了該三元電池組低溫特性。結果顯示：該三元鋰電池在低溫下相比于同規(guī)格的磷酸鐵鋰電池具有較高的電性能，如放電功率提高了10%，滿足整車低溫使用要求。本文針對微型純電動汽車上三元鋰動力電池的發(fā)熱問題，進行城市循環(huán)工況下的實驗與仿真，在驗證模型可行性的同時，分析了該動力電池處于不同環(huán)境時的發(fā)熱狀態(tài)，以了解其是否有安全隱患。

1　整車仿真實驗及數據的獲取

1.1基于電動汽車測試的電池參數的獲取

微型電動汽車由于其電池續(xù)航有限，其定位主要是面向城市短途用戶，這就決定了其主要行駛工況是城市循環(huán)工況。運用轉轂實驗臺將整車進行城市循環(huán)工況運行，圖1為進行轉轂實驗的某新型城市微型電動汽車和三元鋰電池包。同時使用CAN卡采集并記錄電池PACK母線電流數據，得到電流曲線(圖2、3)和溫升曲線圖4。

圖1　用于轉轂實驗的微型純電動汽車

圖3　圖2方框中的電流和車速的參照

圖4　電池內溫升曲線

1.2電池直流內阻的測試

動力電池在正常工作時內部的生熱主要有4種：反應熱、焦耳熱、極化熱和副反應熱。其中反應熱和副反應熱基本可以忽略，極化熱也比較小，因此電池發(fā)熱主要來源于其焦耳內阻的發(fā)熱，其發(fā)熱方程為

(1)

式中：I是通過電池的電流；Rm是電池的焦耳內阻；t是通過電流的時間。

測量焦耳內阻的方法是脈沖功率性能測試法(HPPC)。實驗過程：將電池先后置于溫度分別為20，25，30，35，40，45，50，55 ℃的恒溫箱中加熱并靜置30 min。同時分別用Digatron電池模擬器進行2C倍率的電流放電，測試記錄并計算各溫度點的電阻值。內阻測試實驗器械及示意圖如圖5所示。測試數據如表1所示。

用Matlab進行二次擬合之后得到方程

R(θ)=0.0198θ2-1.4172θ+31.7917

(2)

1.3單體電池內部結構的分析及參數的計算

要對電池進行CAE仿真就必須知道電池內部材料的具體參數，這就必須對電池進行拆解分析。拆解后可知單體電池由銅箔、鋁箔、薄膜、電解液、鋁殼和塑料殼組成，具體結構如圖6所示。電池內各成分的參數如表2所示。

① 恒溫箱；② 電池組;③ 溫度傳感器;④ 正負極電纜

溫度θ/℃低壓/V高壓/V壓差/V內阻/mΩ20.03.604.510.9110.825.63.634.360.738.730.13.614.240.637.536.13.634.230.607.139.53.64.210.617.345.23.6242.80.667.950.53.634.350.829.855.03.614.641.0312.358.53.635.191.5618.6

① 鋁殼；② 銅箔；③ 薄膜與電解液； ④ 鋁箔

材料導熱系數/(W·(m·K)-1)密度/(kg·m-2)比熱容/(J·(kg·K)-1)正極1.5002380710隔膜0.3344921978負極1.0426601437.4銅8933 385398鋁2702903238電解液0.451290133.9粘合劑0.1217501120

由傳熱學原理可知，電池在厚度方向上的導熱系數為

(3)

在長度和寬度方向上的導熱系數為

(4)

其中:λi是電池內部各材料的熱傳導率;li是各個材料的厚度。

由于電池內部各成分不一樣，故對于整個電池單體內的比熱容的計算采用加權平均法：

(5)

式中:m為電池單體的總質量;mi分別為各成分的質量;ρi為各材料的密度;Vi為各材料的體積。現假設電池單體的內部是均質，經計算及整理后得到所有物質的參數，如表3所示。

表3　電池PACK各組件的材料參數

2　模型建立與仿真分析

2.1用CATIA建立簡化模型

電池PACK是由4組電池組構成，每組電池分別由6×4×6個單體組成，電池組間距較大，相互之間的熱交換較少(圖7)。為方便求解，對實體模型進行了相應的簡化，只對其中1組電池建立1：1的3D模型并模擬整體電池PACK所在環(huán)境，如圖8所示。

圖7　電池PACK的外觀實物

圖8　電池PACK及其所在環(huán)境的3D模型

由于模型左右對稱，利用HYPERMESH對模型左半邊進行網格劃分，如圖9所示。

圖9　電池PACK及外部散熱場的網格

2.2求解計算

1) 傳熱模型的數學表達

空間中任意一點任意一個方向的熱流量可分解為x，y，z方向的分熱流量。依據能量守恒定律，導入的微元體總熱流量跟微元體內熱源的生成熱之和等于導出的微元體總熱流量跟微元體熱力學能的增量之和，在任意時間間隔內熱平衡關系為

(6)

式中：Φin為導入微元體的總熱流量,Φin=Φx+Φy+Φz；Φx為x方向導入的微元體；Φy為y方向導入的微元體；Φz為z方向導入的微元體；Φout為導出微元體的總流量Φout=Φx+dx+Φy+dy+Φz+dz；Φx+dx是x方向導出微元體的熱流量；Φy+dy是y方向導出微元體的熱流量；Φz+dz是z方向導出微元體的熱流量。根據傅里葉定律：

式中：Φ是內熱源的生熱量；ρ為物質的密度，λ是物質的導熱率；θ為溫度；t為時間；λx，λy，λz分別為x，y，z三個方向上的熱導率。

將各表達式整合得到電池的穩(wěn)態(tài)導熱微分方程：

(9)

2) 仿真計算

將網格導入到fluent，進行材料、邊界條件、發(fā)熱方程及迭代參數的設置后，對模型進行仿真計算，得到的仿真結果見圖10、11和表4。

圖10　電池組的發(fā)熱云圖

圖11　仿真溫度與實驗溫度對比

時間t/s仿真溫度/℃實驗擬合溫度/℃180010.7110.899360011.3911.770540012.0412.584720013.0013.340900013.2714.0391080013.8614.6811260014.4315.2661440014.9815.7931620015.5216.2631800016.0316.6761980016.5317.0312160017.0217.330

由溫度云圖可知：模型的內部較熱，最高處溫升可達到17 ℃左右，邊緣處由于與外部存在較多熱交換溫度相對較低，且上表面溫度高于下表面溫度，溫差可達0.5 ℃。由于實驗中傳感器均處于電池組的上表面，且?guī)讉€探頭測的溫度數據幾乎一致(階躍曲線)，所以表4中實驗數據由擬合函數求得。將point 1處仿真溫升數據與實驗數據對比發(fā)現：仿真結果與擬合實驗結果較接近，溫差基本在1 ℃以內。觀察對稱面云圖可知，溫度在遠離電池組時會迅速降低，電池組之間的干擾較少，用1組電池(6×4×6個單體)進行仿真具有可行性，說明模型是可靠的。

2.3低溫及高溫環(huán)境下的溫度變化

1 ℃城市循環(huán)工況下的溫度變化見圖12～14。

圖12　電池單體壁面溫度云圖

圖13　對稱面溫度云圖

圖14　1℃環(huán)境下溫升曲線

55 ℃城市循環(huán)工況下的溫度變化見圖15～17。

圖15　電池單體壁面溫度云圖

圖16　Z=17和對稱面處電池包溫度云圖

圖17　55 ℃環(huán)境下溫升曲線

由以上對比可以發(fā)現：在相同時間內，處于1 ℃ 的和55 ℃的電池發(fā)熱均要高于11 ℃的電池，這是由于在這兩點處的電池內阻要高于后者的內阻，所以發(fā)熱更嚴重。

3　結論

1) 對實驗數據和仿真數據進行對比可知：兩者的誤差基本維持在1 ℃以內，仿真模型是有效的。

2) 電池的內部溫度在整個電池組中是最高的，造成這種現象的原因是：電池內部與外界的熱交換速度較少，雖然電池單體之間有間隙，但由于空氣的熱傳導系數較低，傳熱較慢，造成熱堆積。

3) 電池在1 ℃和55 ℃時的發(fā)熱均比11 ℃時嚴重，主要是由于在1 ℃和55 ℃時電阻較大。

4) 通過分析三元鋰電池組的發(fā)熱情況，為電動汽車動力電池包結構及散熱措施的設計優(yōu)化提供理論依據和評價方法。

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(責任編輯劉舸)

Thermal Behavior Analysis of Pure Electric Vehicle Battery Pack Under Urban Driving Cycles

PAN Chao-fenga, b， LI Gui-quana， CHEN longa,b， ZHOU Kong-kanga

(a.School of Automotive and Traffic Engineering; b.Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The heating problem of electric car battery was studied. A new urban mini electric car and its power battery pack were used as research objects. The CFD heating simulation was done and meanwhile, to get the battery’s actual heat data and current date, the vehicle has been tested in the drum to run the urban driving cycle, the single battery’s direct-current resistance has been tested as well. With the repeatedly revision about the model and parameters, similar results were obtained with the experimental simulation results. The result shows that there is overheating of the central portion of the battery pack, which mainly due to less internal heat exchange with the outside world, the poor thermal conductivity of the air and the insufficient flow. Key words: Li(NixCoxMnx)O2battery；thermal analysis；temperature field；pure electric vehicle

2016-03-16

國家自然科學基金資助項目(51105178，51475213);江蘇省“六大人才高峰”項目(2013-XNY-002);江蘇省自然科學基金資助項目(BK2011489)；上海汽車工業(yè)科技發(fā)展基金會產學研項目(1533)

盤朝奉(1979—)，男，博士，副教授，主要從事純電動汽車開發(fā)及關鍵技術研究,E-mail:chfpan@ujs.edu.cn。

format：PAN Chao-feng，LI Gui-quan，CHEN long,et al.Thermal Behavior Analysis of Pure Electric Vehicle Battery Pack Under Urban Driving Cycles[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):6-12.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.001

U469

A

1674-8425(2016)08-0006-07

引用格式：盤朝奉，李桂權，陳龍，等.城市循環(huán)工況下純電動汽車動力電池包溫度場分析[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):6-12.