張 勉,陳 建,王 卓,王 磊,羅澤涌,方晶晶,鄭延莉,王炎林

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715)

0 引言

由單體鋰電池組成的電池組工作時的最高溫度、最大溫差對其容量、放電效率、循環(huán)壽命及安全性均有重要影響。相關(guān)研究顯示,電池工作溫度超過 40℃以后,溫度每上升 10℃,電池壽命將降低至原來的1/2[1];當(dāng)溫度達(dá)到85℃時,鋰電池開始熱失控過程[2],嚴(yán)重時會引起電池起火甚至爆炸,直接威脅使用者的安全。單體電池間溫度分布不均會導(dǎo)致各電池電壓、內(nèi)阻和容量不一致[3],從而引起電池放電深度及衰減速度不同,最終導(dǎo)致電池組提前失效[4]。以鋰電池組作為能源的電動微耕機(jī)作業(yè)過程中,由于各單體電池負(fù)荷不均及換熱條件不同,電池之間必然存在溫度差異。當(dāng)耕深較大時,由于輸出扭矩較大,電池溫度及電池間溫差問題更為突出。因此,針對電動微耕機(jī)作業(yè)狀態(tài)下電池組放電、生熱及環(huán)境因素等條件,以電池組的最高溫度及最大溫差為評估參數(shù),研究電動微耕機(jī)電池組的熱特性十分必要。

由于電池組在放電過程中其內(nèi)部溫度變化復(fù)雜且單體電池內(nèi)部溫度不可測量,因此計算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電池組熱特性的研究。杜雙龍[5]等人通過建立電池組三維熱仿真模型進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)電池組最高溫度集中于中心區(qū)域,且隨著放電倍率的增加,電池組內(nèi)部溫度均勻性變差。楊洋[6]對電池組在不同放電倍率下的溫度場進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)在高放電倍率下電池組的溫升遠(yuǎn)超出鋰電池的最佳工作溫度范圍。李濤[7]通過建立電池?zé)嵝?yīng)的理論模型,計算得出電池組在不同使用條件下的溫度分布,并準(zhǔn)確預(yù)測了電池組的散熱性能。然而,電動微耕機(jī)鋰電池組熱特性的研究目前還很鮮見。本文采用計算機(jī)數(shù)值仿真的方法,對一款新研發(fā)的耕深可達(dá)10cm的電動微耕機(jī)電池組的熱特性進(jìn)行了研究。

1 模型建立及驗證

該電動微耕機(jī)通過電機(jī)帶動旋耕刀輥進(jìn)行作業(yè),樣機(jī)如圖1所示,參數(shù)如表1所示。

圖1 電動微耕機(jī)

表1 微耕機(jī)主要參數(shù)

電池箱位于電動微耕機(jī)前部,由箱體外殼、電池組、電池支撐架、墊片及隔板等部件組成,如圖2所示。電池組由170枚BAK公司生產(chǎn)的18650單體鋰電池組成,其下層電池為10×10布置,上層電池為10×7布置,各行、各列相鄰電池間隔為5mm;每17枚電池串聯(lián),10組電池并聯(lián);各單體電池的標(biāo)稱容量為2 150mAh,標(biāo)稱電壓為3.6V,體積為17 553mm3。

圖2 電池箱模型

1.1 單體電池?zé)嵝?yīng)模型建立

該型鋰電池主要由電池芯、殼體及正負(fù)極端組成。以單體電池底面圓心為坐標(biāo)原點,建立直角坐標(biāo)系,如圖3所示。

圖3 單體電池模型

單體電池?zé)醾鲗?dǎo)方程為

(1)

其中,電池密度ρ,比熱容Cp,x、y、z向?qū)嵯禂?shù)λx、λy、λz及電池單位體積生熱速率q均為求解電池?zé)崽匦缘年P(guān)鍵參數(shù)[8]。邊界條件為

(2)

其中,λ為物體導(dǎo)熱系數(shù);?T/?n為溫度梯度;h為對流換熱系數(shù);T為電池表面溫度;T∞為對流換熱的冷卻介質(zhì)溫度。

由文獻(xiàn)[9]可得圓柱形等效電池模型,其直徑為18.5mm,高為65.3mm。等效模型熱物性參數(shù)計算結(jié)果如表2所示。

表2 電池等效模型熱物性參數(shù)

電池單位體積生熱速率q計算公式為[10]

(3)

其中,I為放電電流;V為電池體積;UOC為開路電壓;U為工作電壓;T為電池溫度。(UOC-U)I為焦耳熱,與I2R0等效,據(jù)廠家資料,R0為0.025Ω;取平均溫度影響系數(shù)為(UOC-U)= 0.1×10-3V/K[11]。將以上數(shù)據(jù)帶入式(3),得

(4)

1.2 電池組網(wǎng)格模型建立

在Creo軟件中建立電池箱三維模型,并導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為減少模型劃分網(wǎng)格數(shù),縮短計算時間[12],對模型進(jìn)行簡化,忽略導(dǎo)線、螺絲、焊點等結(jié)構(gòu)、部件。電池箱網(wǎng)格劃分如圖4所示。電池箱整體封閉,外殼、支撐架材質(zhì)為ABS塑料。電池箱主要部件材料熱物性參數(shù)如表3所示。

圖4 電池箱網(wǎng)格模型

1.3 模型驗證

為驗證模型的正確性,通過實驗在室溫(25℃)自然對流環(huán)境下,測量電池組以1C恒流放電時電池組的中心溫度;并在Ansys軟件溫度場模塊中進(jìn)行熱仿真,設(shè)置對流換熱系數(shù)5W/m2[13],環(huán)境溫度25℃,電池間隙5mm,放電倍率1C。測量結(jié)果與模型對應(yīng)位置的仿真值對比如圖5所示。

圖5 仿真與試驗對比

由圖5可知:試驗溫度與仿真溫度變化趨勢吻合,仿真溫度結(jié)果最大誤差為5.3%。因此,所建立的模型可以很好地反映所研究電池組的發(fā)熱情況。

2 電池組放電熱特性仿真研究

電動微耕機(jī)作業(yè)時,其自身運動能加速電池箱表面空氣流動增強(qiáng)換熱能力,但田間耕作行進(jìn)速度緩慢(0.1～0.3m/s),換熱能力提升有限,因此不考其自身運動對電池組散熱的影響;作業(yè)參數(shù)(如耕深、耕寬)及土壤參數(shù)決定放電電流大小,影響電池生熱速率;環(huán)境溫度及電池間隙影響散熱速率。因此,選取放電倍率、電池間隙、環(huán)境溫度為變量,分析電池組的熱特性。將不同工況列表說明并編號,如表4所示。經(jīng)初步測試,電動微耕機(jī)作業(yè)時平均放電倍率約為2C,因此設(shè)置放電倍率變量為1、2、3C;5mm為電池組實際電池間隔,考慮電池箱整體緊湊合理,設(shè)置電池間隙變量為3、5、7mm;一般定義常溫為25℃,《防暑降溫措施管理辦法》中規(guī)定的“高溫天氣”下限為35℃,因此設(shè)置環(huán)境溫度變量為25、30、35℃。工況1、2、3僅放電倍率不同,工況1、4、5僅電池間隙不同,工況1、6、7僅環(huán)境溫度不同。

表4 各工況參數(shù)及編號

2.1 放電倍率對電池組熱特性影響分析

在工況1、2、3下,設(shè)置仿真時間為各放電倍率下電池組理論放電時間3 600、1 800、1 200s[14]。各單體電池生熱速率由式(4)計算得出,結(jié)果如表5所示。

表5 不同放電倍率下生熱速率

根據(jù)計算結(jié)果,1、2、3C放電倍率下放電結(jié)束時電池組溫度云圖如圖6所示,電池組熱特性數(shù)據(jù)整理如圖7所示。

圖6 放電結(jié)束時不同放電倍率下電池組溫度云圖

由圖7可知:電池組在1、2、3C放電倍率工況下,最高溫度分別為36.058、44.38、52.798℃,最大溫升分別為11.058、21.38、27.798℃,最大溫差分別為4.782、7.608、10.709℃,單體電池最大溫差分別為1.093、2.415、4.018℃。2C、3C放電倍率下,電池最高溫度及最大溫差均超過鋰電池適宜工作溫度上限40℃及溫差上限5℃[15];單體電池溫差均小于5℃,電池溫度均勻性較好。電池組最高溫度、最大溫差、溫升及單體電池最大溫差都隨放電倍率增大而顯著增大,放電倍率對電動微耕機(jī)電池組的熱特性影響較大。

圖7 放電倍率變化工況下電池組關(guān)鍵溫度參數(shù)

2.2 電池間隙對電池組熱特性影響分析

在工況1、4、5下,設(shè)置仿真時間為3 600s。由計算結(jié)果可得3、5、7mm電池間隙工況下電池組熱特性數(shù)據(jù),整理如圖8所示。

圖8 電池間隙變化工況下電池組關(guān)鍵溫度參數(shù)

由圖8可知,電池組在3、5、7mm電池間隙工況下,電池組最高溫度分別為36.693、36.058、35.491℃,最大溫升分別為11.693、11.058、10.491℃,最大溫差分別為5.163、4.782、4.663℃,單體電池最大溫差分別為1.286、1.093、1.009℃。不同電池間隙工況下,電池最高溫度都在40℃內(nèi);3mm電池間隙條件下,電池組最大溫差超過5℃,溫度一致性較差;5、7mm電池間隙條件下,電池組最大溫差小于5℃,但已經(jīng)十分接近;單體電池最大溫差都遠(yuǎn)小于5℃,電池溫度均勻性較好。電池組最高溫度、最大溫差、溫升及單體電池最大溫差都隨電池間隙增大而減小,但下降幅度很小。在實際情況下,受電池安裝位置和空間限制,電池間隙調(diào)整范圍較小。因此,在本文研究設(shè)置值范圍內(nèi),電池間隙對電動微耕機(jī)電池組的熱特性影響相對較小。

2.3 環(huán)境溫度對電池組熱特性影響分析

在工況1、6、7下,設(shè)置仿真時間設(shè)置為3 600s。由計算結(jié)果可得25、30、35℃環(huán)境溫度工況下電池組熱特性數(shù)據(jù),整理如圖9所示。

圖9 環(huán)境溫度變化工況下電池組關(guān)鍵溫度參數(shù)

由圖9可知:電動微耕機(jī)電池組在25、30、35℃環(huán)境溫度工況下,電池組最高溫度分別為36.058、41.058、46.058℃;最大溫升相等,為11.058℃;電池組最大溫差相等,為4.782℃;單體電池最大溫差相等,為1.093℃。25℃環(huán)境溫度工況下,電池最高溫度小于40℃;30、35℃環(huán)境溫度工況下,電池最高溫度均超過40℃;電池組最大溫差均小于5℃,但已經(jīng)十分接近;單體電池最大溫均遠(yuǎn)小于5℃,電池溫度均勻性較好。電池組最大溫差、單體電池最大溫差、電池組溫升都不隨環(huán)境溫度發(fā)生變化,但電池組最高溫度隨環(huán)境溫度增大而顯著增大,且變化幅度一致;環(huán)境溫度對電動微耕機(jī)電池組的熱特性影響較大。

3 實際工作條件下電池組溫度仿真

為分析實際工況下電池組的熱特性,對電動微耕機(jī)田間耕作放電電流進(jìn)行測試。測試設(shè)備有:電動微耕機(jī);APN1211E-U功率分析儀,電壓量程為300V,電流量程為40A;SC900土壤堅實度儀,深度量程為450mm,壓力量程為7 000kPa。試驗田為重慶沙坪壩區(qū)的一塊普通農(nóng)田,實測其土壤含水率為21%,土壤0～150mm平均堅實度為0.453MPa。測試現(xiàn)場如圖10所示。

圖10 測試現(xiàn)場

在電動微耕機(jī)穩(wěn)定作業(yè)時,測得該工況下放電電流如圖11所示。由圖11可知:電池放電電流變化劇烈且無規(guī)律,電流大小整體分布在4.1～4.9A之間,平均放電倍率約為2C。

圖11 耕作狀態(tài)下單體電池放電電流變化

將此電流數(shù)據(jù)及溫度條件35℃(308.15K)代入式(4)求得電池單位體積生熱速率,擬合可得變熱源生熱速率公式(5),擬合曲線如圖12所示。

Q=49210sin(0.02622t+0.476)+12510sin(0.6454t+

1.974)+6727sin(0.1764t+0.829)+

5673sin(0.1874t+3.694)+783.3sin(0.6398t-

0.8938)+95650sin(0.4901t-1.241)+95070sin

(0.4895t-4.367)+683sin(0.878t+0.623)

(5)

其中,t為時間。

設(shè)置換熱系數(shù)為5W/m2,環(huán)境溫度為35℃,仿真時間為1 700s,計算求解得電池組溫度云圖如圖13所示。

圖13 放電結(jié)束時電池組溫度云圖Fig.13 Temperature cloud of battery pack at the end of discharge

由圖13可知:在35℃環(huán)境下,電動微耕機(jī)以實際耕作電流值放電結(jié)束時,鋰電池組最高溫度為55.223℃,最大溫差為7.957℃,遠(yuǎn)超鋰電池適宜工作溫度上限40℃及溫差上限5℃。因此,必須對電池組做出調(diào)整。

4 結(jié)論

1)建立了電動微耕機(jī)電池箱的仿真模型,并驗證了該模型的合理性?；诖四Ｐ?仿真分析了不同放電倍率、電池間隙及環(huán)境溫度下電池組的熱特性。仿真結(jié)果表明:放電倍率及環(huán)境溫度對電動微耕機(jī)電池組的熱特性影響較大,電池間隙對電動微耕機(jī)電池組的熱特性影響相對較小。

2)進(jìn)行了田間試驗,測得實際耕作工況下的放電電流,并以此電流值仿真分析電池組的熱特性。結(jié)果表明:在環(huán)境溫度35℃時,放電結(jié)束后電池組最高溫度為54.615℃,最大溫差為9.741℃。由于本文未考慮電動微耕機(jī)作業(yè)時的運動對電池組散熱的影響,仿真結(jié)果可能稍高于實際溫度。由于仿真結(jié)果遠(yuǎn)超出鋰電池適宜工作的溫度上限及溫差上限,因此仿真結(jié)果仍具有參考意義。