基于完全放電工況下的FSEC單電池溫度場分析

楊 勇，李 紅，司晨龍，丁亞軍，張建成

(揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225000)

0 引言

FSEC大賽的動態測試包含5個子項目，分別是75 m直線加速測試、高速避障測試、8字繞環測試、耐久測試以及經濟性測試[1]。復雜工況的動態項目比賽，致使動力電池在工作過程中積聚龐大的熱量，加劇溫升，引發電池熱安全問題。因此，本文結合揚州大學首輛FSEC電動賽車，采用仿真與實驗相結合的方法分析研究單體電池的相關熱特性。

1 聚合物鋰離子單體電池建模及仿真分析

1.1 單體電池建模

在CATIA中對研究對象進行三維實體建模，并在ANSYS Workbench 15.0中用Geometry模塊導入該三維模型，進行實體劃分，之后導入Mesh模塊，分別對電池本體和正、負極耳劃分網格。其中，電池本體單元網格尺寸設置為1 mm，使用正六面體網格劃分；正、負極耳處采用自適應六面體網格進行劃分，最終得到98.1%以上的高質量網格共計2.02×105個。

1.2 仿真計算分析

1.2.1 初始條件設置

本文依據FSEC大賽舉辦地珠海11月中下旬的平均溫度，設置電池的初始溫度為22 ℃，對完全放電極限工況進行相關仿真。考慮到電機控制器短時工作電流的限制，采用8C和4C放電倍率，由4.2 V恒流放電直到截止電壓3 V，參照對應的放電耗時，在Fluent中進行相關設置，并且為模擬分析極限狀態下的溫度場，將對流換熱系數hcon參照經驗值設置為5 W/(m2·K)[2-5]。

1.2.2 仿真結果分析

圖1為仿真得到的單體電池在4C放電倍率下完全放電過程中的溫度場分布云圖。

從圖1可以看出：電池在剛開始放電80 s后，最高溫度集中在正極耳處，達到29.68 ℃，最大溫差為4.15 ℃；放電150 s后，最高溫度仍然集中在正極耳附近，達到31.88 ℃，最大溫差為4.17 ℃，最大溫差變化不是非常明顯，但電芯本體溫度逐漸上升，最高溫度為30.93 ℃；從580 s到900 s的變化過程可以看出，自放電150 s以后到放電結束，最高溫度已完全由正極耳處轉移至電芯中心附近，正極耳處的溫度隨著放電時間的推移已越來越低，放電結束時最高溫度已經高達59.53 ℃，最高溫差更是達到了24.62 ℃。

8C放電倍率下的整體變化趨勢與4C相同，但是溫度變化更快，僅330 s最高溫度就達到了75.99 ℃。

圖2為完全放電極限工況單體電池溫度及溫差變化情況。從圖2可以看出：最高溫度總是隨著放電時間的推移而增加，且均表現為放電初期變化率較大，隨后變化率趨近緩慢，隨即又遭遇新的轉折點，變化率又重新變大，但是沒有放電初期增長得那么迅速。出現這種變化過程，勢必與正極耳和電芯本體的熱生成速率有關。放電初期，正極耳熱生成速率很快，溫度變化很快，但正極耳體積有限，一定時間后，正極耳材料中的粒子運動達到飽和狀態，溫度變化便不再那么迅速，此時，體積較大的電芯本體部分由于時間的推移，粒子運動開始不斷活躍，其相比正極耳而言以較低的熱生成速率正不斷累積熱量，最后導致溫度變化又再次提高。對比圖2(a)與圖2(b)發現，8C放電倍率下，放電初期最高溫差達到波峰所用時間接近60 s，而同樣的時間，4C放電倍率下所用時間接近100 s，隨著電流的增大，該波峰提前了40 s左右到來，說明大電流對有限空間范圍內粒子運動的刺激作用更強，從而使其更快地達到相對“飽和”的狀態。

圖2 完全放電極限工況單體電池溫度及溫差變化情況

2 完全放電極限工況實驗分析

2.1 溫度采集平臺搭建

圖3為搭建的單體電池溫度采集系統。單體電池表面溫度由K型熱電偶溫度傳感器采集，表面共布置有7個溫度傳感器，經由變送器上傳至上位機。

圖3 單體電池溫度采集系統

2.2 實驗結果對比分析

圖4為實驗得到的完全放電工況各測試點溫度與仿真結果對比。從圖4(a)可以看出：在4C倍率完全放電工況過程中，各測試點的測試溫度變化趨勢與仿真溫度變化趨勢基本上趨于一致，測試點2和3的測試曲線以及測試點4和5的測試曲線基本上重合，這是因為單體電池在放電過程中，材料在同一方向的熱導率是相同的，測試點2和3均處在x方向上，必然遵循溫度變化相同的規律，測試點4和5也遵循這一規律；在y方向，理論上也會出現同樣的變化，但測試點2比4在y方向更靠近正極耳，后期由于正極耳溫度成為整塊電池的低溫處，電芯本體上部靠近極耳處的溫度會受到減弱影響，因此測試點2和3在y方向上比測試點4和5的溫度要稍微偏低一些；總體趨勢表現為仿真溫度高于測試溫度，在不到200 s的附近處有一個最高溫度轉折點，此前表現為正極耳溫度是整塊電池的最高溫度，此后變成了電芯中心處，從初始電壓4.2 V到截止電壓3.0 V的900 s放電過程中，測試點1(電芯中心)的溫度從放電初始的22.10 ℃上升到了實驗結束的57.28 ℃，測試點2的溫度從放電初始的22.10 ℃上升到了實驗結束的53.21 ℃，測試點5的溫度從放電初始的21.50 ℃上升到了實驗結束的55.21℃，測試點6(正極耳)的溫度從放電初始的22.29 ℃上升到了實驗結束的36.10 ℃，測試點7(負極耳)的溫度從放電初始的22.12℃上升到了實驗結束的33.30 ℃。

圖4 實驗得到的完全放電工況各測試點溫度與仿真結果對比

從圖4(b)可以看出：以8C放電倍率放電至截止電壓3 V經歷了不到400 s時間，各測試點的測試溫

度變化趨勢與4C放電倍率下的趨勢在大體趨勢上遵循著相同的走向，但測試點2、3和測試點4、5之間的曲線走向更加貼近彼此，變化幅度沒有4C放電倍率下的那么明顯，正負極耳之間的溫度差即兩條測試曲線之間的面積也表現得更大，說明隨著電流的加大，單體電池各部分之間的溫度提升不僅更快，材料的差異性也表現得更加顯著。

經分析可知：在完全放電極限工況過程中，單體電池各測試點的測試溫度與相對應的仿真溫度之間的最大差值為2.61 ℃，出現在4C放電倍率下對應的測試點1處，并且最大誤差不超過8%，在可以接受的范圍之內，表明本文所建立的單體電池熱模型對于完全放電極限工況具有一定程度的可適用性。

3 結語

本文針對FSEC動態比賽項目劃分的完全放電極限工況，通過仿真和實驗結合的方法，驗證了所建熱模

型的可行性，其最大誤差穩定在8%以內，并且知道了放電倍率的大小對有限空間范圍內的粒子運動有直接影響，放電倍率越大，電流越大，有限空間范圍之內的粒子運動更快達到相對“飽和”的狀態，溫度的提升也不會更加顯著，為此，可以在滿足電池各項參數的要求下，適當縮減電池各部分體積來減小溫升。