閆凱 楚金甫 陳西山 古偉鵬 常樂

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 引言

鋰離子電池在充放電時，伴隨著鋰離子在電池正負極的嵌入和脫嵌以及與電極發(fā)生的電化學反應，電池內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，導致電池溫度逐漸升高。溫度對鋰離子電池的容量、內(nèi)阻和壽命都有重要影響，溫度均勻性決定了電池組的一致性。

計算流體力學（CFD）采用數(shù)值方法求解流體控制方程，包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，獲得溫度、速度、壓力等基本物理量在流場內(nèi)的分布以及隨時間的變化情況。利用CFD技術(shù)能夠在很大程度上節(jié)省實際實驗設(shè)備和人力帶來的巨大產(chǎn)品開發(fā)成本。

本文利用CFD軟件對某款電動乘用車動力電池系統(tǒng)進行了熱仿真，得到了電池系統(tǒng)在1C放電工況時溫升和溫度分布情況，并通過Fluke熱成像設(shè)備進行實際測試來驗證數(shù)值仿真的準確性，為后續(xù)電池系統(tǒng)的熱管理提供可靠的理論參考。

2 數(shù)值模型

2.1 電池系統(tǒng)概況

圖1所示為某款純電動乘用車動力電池系統(tǒng)模型圖，該電池系統(tǒng)采用三元（NCM）18650電芯；電池系統(tǒng)組合形式為30P87S，前排模組為30P9S，后排模組為30P11S；電池系統(tǒng)放電工作溫度范圍-20-50℃，電池組散熱采用自然冷卻。

2.2 模型簡化

由于本文主要對電池系統(tǒng)溫度場進行仿真分析，僅考慮單體電芯內(nèi)部導熱以及與周圍空氣之間的熱交換，所以電池系統(tǒng)熱仿真模型中忽略除電芯以外的其它結(jié)構(gòu)部件，電池系統(tǒng)熱仿真模型如圖2所示。

2.3 電池熱物性參數(shù)

通過對電芯廠家和實驗測試所獲得的數(shù)據(jù)進行分析計算，得出單體電芯的熱物性參數(shù)如表1所示。

2.4 邊界條件

在1C放電工況下，單體電芯發(fā)熱量設(shè)置為7236W/m3；將單體電芯與空氣的接觸面定義為流固耦合邊界，實現(xiàn)流體與固體之間的熱量傳遞；電池包內(nèi)空氣邊界設(shè)置自然對流換熱，環(huán)境溫度25℃，換熱系數(shù)為5W/(m2K)；仿真采用瞬態(tài)計算，分析時長3600s，時間步長為10s。

圖1 電池系統(tǒng)模型圖

圖2 電池系統(tǒng)熱仿真模型

表1 單體電芯熱物性參數(shù)

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 單體電芯溫升計算

仿真過程中對單體電芯區(qū)域的最高溫度和最低溫度進行了監(jiān)測，結(jié)果如圖3所示。計算結(jié)束時，單體電芯最高溫度37.87℃，溫度升高12.87℃；單體電芯最低溫度35.35℃，溫度升高10.35℃；電池系統(tǒng)最大溫差為2.52℃。

3.2 模組溫度場分析

對電池系統(tǒng)中兩種排布形式的模組進行了1C放電工況下的熱仿真分析，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。30P9S和30P11S模組1C放電結(jié)束時溫升分別約為12.65℃和12.85℃，從截面溫度分布圖中可以看出，位于模組中間位置的單體電芯溫度要高于模組外側(cè)的單體電芯；由于空氣的導熱性能很弱，采用自然冷卻時，電池組放電產(chǎn)生的熱量很難傳遞到電池系統(tǒng)外。

3.3 電池系統(tǒng)溫度場分析

電池系統(tǒng)1C放電不同時刻的熱仿真結(jié)果和熱成像測試結(jié)果如圖6所示。對比分析可知，兩種結(jié)果溫度場分布大致相同，溫升數(shù)據(jù)相差很小，可以驗證仿真結(jié)果的準確性。從溫度場分布可以看出，由于后排模組是兩層分布，散熱條件相對較差，模組溫度較前排模組更高；前排模組由于排布一致，溫度場分布大致相同。

圖3 單體電芯最高、最低溫度變化曲線

圖4 30P9S模組溫度場分布

圖5 30P11S模組溫度場分布

4 結(jié)語

通過對電池系統(tǒng)1C放電進行熱仿真，得出電池系統(tǒng)后排模組溫度相對較高，前排模組溫度分布大致相同，電芯最大溫升12.87℃，最大溫差2.52℃。通過對比熱仿真和熱成像測試結(jié)果，驗證了熱仿真的準確性，仿真結(jié)果能夠為后續(xù)的熱管理設(shè)計提供理論依據(jù)。