【热管理】商用电动车电池模组热管理分析

摘 要:

电池温度过高或者隔膜损坏是电池热失控的主要原因。在高温条件下,电池及其隔膜容易发生加速老化,使得电池 容量不可逆的降低,缩减电池寿命,如果电池模组内积累了 大量热量,电池局部的温度会急剧上升,则可能出现电池短 路和热失控现象,甚至可能引发电池着火和爆炸等安全事 故。因此,研究商用车电池模块热特性,提高其散热性能,开 发安全可靠电池模组,对预防商用电动车热失控起火,乃至 提高商用电动车经济性和安全性有着十分重要的意义。

当前,电池热管理已成为电动车热安全性研究的热点 问题。国内外学者对电池产热和散热机理进行了大量的 基础研究工作。BasuS[1] 等人根据实验建立了 18650 型锂离子电池的电化学-热耦合模型,分析了电池产热的影 响因素,研究结果表明锂离子电池的接触内阻对其产热影 响最大。BernardiE[2] 等人研究了电池工作生热特性,提 出在电池内部生热热源稳定和电池组分布均匀的条件下, 电池工作生热特性可由一种电池生热速率模型计算得到。KarenE[3] 及其团队在研究中发现,质量较好的电池在放电过程中,过电势浓度极低,而且可以忽略其混合热。优 质电池在放电时,过电位的浓度很低,混合热几乎可以忽略不计。在电池的寿命和安全性与电池的温度及其分布密切相关。AndersonR[4] 及其团队通过对至少五百万辆车辆电池进行研究,得出研究结果表面电池的寿命随着温度的升高呈线性下降。DickinsonB[5] 及其团队讨论分析多种电动汽车用电池组的热性能和使用寿命,得出了电池 组的温差会影响整个电池组的容量的结论,并提出应控制电池组内部温度均匀分布维持在三十至四十摄氏度之间。

为了提高电池的热安全和热可靠性,研究人员对电池热特性进行深入研究,并采取了主动、被动以及混合热管理等相应措施。YongSC[6] 等建立锂离子电池集热模 型,对混合动力电动汽车锂离子电池组系统的热特性进行 预测和研究,得到了冷却系统中合理的风道宽度和流体流 量等参数。KennethJ[5] 等人对 Prius和Insight两种车型 配备强制风冷的散热系统,试验结果显示辆车型散热效果 均比较理想。华南理工大学臧孟炎团队采用并行式强制 风冷散热结构,在特定的2C 放电倍率下,对磷酸铁锂电 池组风冷散热结构的主要参数进行单因素分析,有效地降 低电池组最高温度和温差[7] 。哈尔滨工业大学的吕超等 人通过进一步对实际储能锂离子电池包强制风冷系统进 行热仿真,改进原有的冷却结构,降低了最大温度并减小 了电池之间的温差,明显改善了分冷系统散热效果[8] 。上 述研究主要集中于乘用车电池热特性和热安全,而商用电 动车电池热管理尚未获得足够关注。商用电动车实际工 作条件比乘用车更复杂,其热安全有更高的要求。因此, 当前亟需研究商用车电池模块热特性。

锂离子电池的生热机理是电池内发生不同的化学反 应导致的热行为和电池内阻在充放电过程中所产生的焦 耳热,其主要是由电化学反应热 Qr、欧姆内阻热 Qj 、电解 液分散热 Qe、极化热 Qp 和SEI膜分解热 Qs 部分组成[9] 。由下式表示:

BernardiE等人在电池内部生热热源稳定和电池组 分布均匀的条件下提出,电池工作时的生热速率可由一种 电池生热速率模型计算得到[2] ,公式如下:

商用电动车电池总容量通常在140kWh以上,若一个 电池模块能量为40kWh,则配备4个及以上模块即可满足 其工作需求。每个电池模组由多个电池模块排列组成。根 据实际车架信息,电池模组采用等高2*6方式排列12个 电池模块,每个模块串联,共计120个电池单体,模组电压 为192V。将3个及以上电池模组串联,则商用电动车电池电压可达576V以上,从而达到商用电动车输出电压要求。

由于电池单体的极柱热效应对电池模组整体温度场影 响较小,因此,在建立模型时将电池模块的每节电池单体电 极简化[11] 。建立的锂电池模组模型如图 1所示。模型网格 划分后,电池模块网格数量约为80万,平均质量约为0.72。

模型中,单体电池为方形磷酸铁锂电池,尺寸参数为 200*130*36, 单 体 电 池 额 定 电 压 为 3.2V, 容 量 为 105Ah,其基本参数如表 1所示:

在模型参数设置上,电池的材料密度、比热容和导热 系数等按照表1输入,电池模块内部的空气属性选择仿真 软件数据库中的air参数,电池模块璧面材料选数据库中 的钢铁参数。

电池模块与电池模块壁面的接触面设置为耦合传热 边界条件,进风口边界设置为速度入口,其空气温度设定 为 T=298K/308K,风速设定为2.5m/s;压力输出为出口 边界条件,出口压力值为1个标准大气压。风口布置如图 2所示,模型左侧为入风口,右侧为出风口。在模型中间 位置设置一个平行于水平面的截面Ⅰ,用于分析电池模组 热流分布特性,该截面Ⅰ如图2中青色平面所示。锂离子 电池生热速率根据理论法中换算模型计算得出。

对锂离子电池模块进行热流场数值仿真分析时需做以 下几个假设基础条件:将电池单体简化看作为均匀发热体, 热物性参数不会随温度变化而改变;电池的生热速率不受温 度的影响;流体的边界压力为零,且不考虑其惯性力。

在不同恒流倍率下 的,电 池 生 热 速 率 也 不 相 同。在 0.5C 与1C 的恒流倍率的工况下,分析电池模块热流特 性。当进风口速度为2.5m/s,温度为35℃时,电池模块热流场分布如图 3-图 6所示。常温和高温环境下,电池模 块最高温度对比如表2所示。

由仿真计算结果可知,25℃时电池模组的最高温度为 47.49℃,温升为22.49℃。35℃时电池模组最高温度为 55.71℃,温升为20.71℃。在温度分布上,电池模组内部 温度分布高度不均匀,其中,靠近出风口位置的电池温度 高于靠近进风口位置的电池温度,而位于风口同侧电池模 块的温度分布相对均匀。在流体分布方面,电池模组内最 大风速为4.48m/s,进风口位置速度高于出风口位置。空 气粒子分布稀疏,截面云图显示电池模组中部空气粒子频 率大于两侧,轨迹相对均匀。

对比0.5C 与 1C 恒 流 倍 率 工 况 下 电 池 模 块 温 度 可知,环境温度为25℃ 时,1C 工况下电池模组的温度高出 0.5C 工况下电池模组18.52℃;环境温 度 为 35℃ 时,1C 工况 下 电 池 模 组 的 温 度 高 出 0.5C 工 况 下 电 池 模 组 16.66℃,其原因是由于恒流倍率的增大,电池的生热速率 增大,从而导致电池模组的温度上升。

为了降低电池温度,在原模型基础上,方案一将进风口 和出风口数量均从原有的各三个改进增加为各五个,方案一 模型如图7所示。针对于原模型电池模组温度高且分布高 度不均衡的问题,方案二将风道改进设计为左右各五个进风 口,上下两侧边各一个出风口,方案二模型如图8所示。

进口初始温度设置为35℃,进口风速设置为2.5m/s, 方案一热流场仿真计算结果如图9-10所示。由仿真得出 的云图可知,相对于原模型的散热结构,方案一能将电池模 组的温度适当降低,其中,在35℃时1C恒流倍率工况下, 最高温度相比于原模型散热结构降低了3.1℃。该方案中 电池模块两端温度偏高,且仍然存在温度分布不均匀的情 况,然而相比于原模型温差分布已有一些缩小,其主要表现 在靠近出风口中间部分的电池模块温度得到明显降低。同 时,方案一模型最高风速和空气粒子轨迹密度均大于原模 型,说明风速与空气粒子的增加有助于电池模组的散热。

方案二仿真云图如图 11至图13所示,各模型电 池模组最高温度对比如表3和表4所示。在1C恒流倍率 下,方案二的散热效果优于原模型和方案一。当环境温度 为25℃时,方案二电池模组最高温度为38.89℃,相比于原模型的 47.49℃ 降 低 了 8.6℃,有 效 地 将 温 度 控 制 在 40℃以内;当环境温度为35℃时,最高温度为48.89℃,相 比原模型的55.71℃降低了6.82℃,有效地将温度控制在 50℃以内。与此同时,电池模组内部温度的分布相比之前 的模型也更均匀,这在一定程度上改善了电池模组内部电 池温度不均匀的问题。

方案二的风速在电池之间的间隙相差不多,风速高的 还是集中在出风口位置,且空气粒子的数量大于原模型, 虽然最高温度在中间位置,但从整体来看电池模组的温度 分布的比较均匀。

由表3和表4可知,与原模型相对比,无论是在常温 还是高温环境下,方案一和方案二均能使电池模块的最高 温度降低,其中方案二的降温效果最佳;方案二在确保电 池模块最高温度降低的同时,让电池模块内部温度分布更佳均匀。因此,方案二的降温效果以及温度均匀分布效果 均优于原模型和方案一。

商用车电池模组的热安全和老化性能通常需要数月 甚至数年的物理破坏试验才能检测出,采用有限元仿真计 算的方法,可以对处于开发初期阶段的电池模组进行预测 分析,从而减少产品试制次数,大幅降低产品开发的试验 费用和时间。通过建立商用车电池模组数值仿真模型,对 比和分析了2种改进方案,分析结果表明:

(1)热流分布表明电池模块存在温度分布高度不均衡 的现象,具体表现为电池模组靠近进风口的部分温度明显 低于靠近出风口的部分;

(2)高温环境和增大电流倍率条件下,电池模块整体 温度负荷均显著增大。

(3)增加进出风口的数量可以使模块中的空气粒子流 动增密,从而能有效降低电池模块温度。

(4)通过改进风口分布可以改善电池模块中的空 气 粒子流动 轨 迹 分 布,从而使电模块的温度分布更加均匀。