電池模組垂直方向溫度場仿真與實(shí)驗(yàn)分析

王佳琪，陳立鐸，許佩佩

(1.愛馳汽車(上海)有限公司，上海 200082；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心(天津)有限公司天津市電動汽車評價(jià)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300；3.廣州明美新能源股份有限公司，廣東廣州 510000)

隨著全球燃油汽車總量不斷增加，汽車尾氣導(dǎo)致的環(huán)境污染越來越嚴(yán)重。化石能源也在不斷消耗，可以預(yù)見未來會出現(xiàn)化石能源短缺情況。因此，世界各國政府高度重視并支持可以替代燃油汽車的新能源汽車技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。中國汽車工業(yè)協(xié)會發(fā)布的產(chǎn)銷數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國新能源汽車產(chǎn)銷分別為124.2 萬輛和120.6 萬輛，產(chǎn)銷量位居全球第一。

新能源汽車動力電池組熱管理很重要，它起著保持電池組內(nèi)單體之間溫度平衡、控制電池組處于適宜合理的工作溫度范圍等作用。按照熱管理策略對電池包內(nèi)的電池模組進(jìn)行主動溫控，低溫時(shí)加熱升溫，高溫時(shí)冷卻散熱，科學(xué)的熱管理使電池組安全可靠并獲得較長的使用壽命。

電池組熱管理仿真技術(shù)研究已相當(dāng)深入，Yu 等[1]基于Bernardi 提出電池產(chǎn)熱速率方程，設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)對電池內(nèi)阻、熱物性參數(shù)和溫度系數(shù)進(jìn)行測試和仿真，并準(zhǔn)確預(yù)測電池不同放電倍率下溫升。張立軍等[2]結(jié)合一維電化學(xué)產(chǎn)熱模型和三維分層模型建立耦合模型，準(zhǔn)確預(yù)測電池內(nèi)部各層級溫度場分布。Ashkan 等[3]通過建立物理場模型和有限元模型探究電池在不同放電工況下的生熱速率特性，以研究結(jié)果為依據(jù)預(yù)測電池發(fā)熱狀況。Guo 等[4]將二維熱模型和電化學(xué)模型進(jìn)行組合，通過線性逼近方法求解電池包和單體電池正負(fù)極極柱溫度場分布。

電動汽車熱管理技術(shù)及仿真等研究工作大多聚焦在單體水平上，對電池內(nèi)部溫度場研究較為深入透徹。電池包內(nèi)模組溫度場分布情況研究較少。常見電池包內(nèi)有多個(gè)電池模組，每個(gè)模組內(nèi)含多個(gè)單體電池，單體電池通過串并方式組合在一起。電池包、電池模組、單體電池有特定容量、尺寸、質(zhì)量。模組由單體電池、線排(busbar)、端板、側(cè)板、上蓋、絕緣罩、絕緣膜、線束隔離板、功率輸出端子等部分組成。端板夾緊電池，并由側(cè)板端板焊接固定，電池之間連接鋁條采用激光焊接。導(dǎo)熱墊位于液冷板和電池模組之間，它是電池加熱和冷卻時(shí)的熱量通道[5]，模組內(nèi)溫度場分布可以一定程度上替代電池包內(nèi)溫度場分布[6]。

選用VDA(德國汽車工業(yè)聯(lián)合會)355 標(biāo)準(zhǔn)尺寸模組，對其進(jìn)行高度方向溫度場仿真，并開展實(shí)驗(yàn)，測量充放電過程模組底部、上表面、側(cè)板等高度方向各點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

表1 為本文實(shí)驗(yàn)所用電池模組性能參數(shù)。

表1 鋰離子電池模組參數(shù)

1.2 仿真測試方法

電池包由上蓋、隔熱墊、模組、導(dǎo)熱材料、隔離鋁板、冷卻板、支撐材料及殼體下底板構(gòu)成[7]，電池包結(jié)構(gòu)見圖1。電池包內(nèi)裝有N個(gè)模組，采用液冷冷卻，模組結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

圖2 模組結(jié)構(gòu)示意圖

采用Floefd 軟件對液冷電池包進(jìn)行熱仿真分析，F(xiàn)loefd可以無縫集成于Catia 軟件中，在模型轉(zhuǎn)化、模型處理以及網(wǎng)格、收斂分析步驟中具有獨(dú)特優(yōu)勢。表2 為仿真模型材料參數(shù)設(shè)置。

表2 材料設(shè)置參數(shù)

計(jì)算域中設(shè)定了兩種域。一種是流體域，其中冷卻管路中設(shè)定為50%乙二醇溶液，入口設(shè)置為流量入口，出口設(shè)置為壓力出口，其余流體域?yàn)槔硐肟諝猓涣硪环N為電池所在的固體域。仿真計(jì)算時(shí)，將單體電池假定為均勻的發(fā)熱體。

仿真計(jì)算流域設(shè)置參數(shù)見表3。整個(gè)計(jì)算周期內(nèi)為瞬態(tài)仿真。

表3 仿真參數(shù)設(shè)置

圖3 為電池系統(tǒng)1C放電工況下發(fā)熱量曲線，用絕熱加速量熱儀(ARC)實(shí)測單體1C放電工況下發(fā)熱量。

圖3 電池系統(tǒng)1 C放電工況發(fā)熱量

1.3 測試驗(yàn)證

使用福建星云電子NEEF250 型充放電設(shè)備給電池充放電，單通道電壓范圍50～900 V，單通道最大電流400 A(可設(shè)置)。溫度采集裝置使用日本橫河GYL-03-C04 型多通道數(shù)據(jù)采集儀。

測試驗(yàn)證流程：

(1)12#和24#兩個(gè)模組按照圖4 和圖5 溫度傳感器布點(diǎn)圖預(yù)埋溫度采樣線，然后裝配到電池包內(nèi)。測試環(huán)境溫度25 ℃，充放電過程中開啟水冷系統(tǒng)，冷卻水溫度25 ℃，流量10 L/min；

圖4 12#模組溫度傳感器布點(diǎn)圖

圖5 24#模組溫度傳感器布點(diǎn)圖

(2)電池包放于25 ℃環(huán)境箱內(nèi)，擱置12 h；

(3)以1C(180 A)恒流放電至單體最低電壓2.8 V 時(shí)止；

(4)擱置12 h，單體電池溫度達(dá)到(25±1)℃；

(5)以1C(180 A)恒流充電至單體最高電壓4.14 V 止；

(6)擱置12 h，單體電池溫度達(dá)到(25±1)℃；

(7)以1C(180 A)恒流放電至單體最低電壓2.8 V 止。

熱敏電阻按照溫度系數(shù)分為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)，本次選用的模組用的是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。測試模組粘貼了熱偶溫度傳感器。

12#模組表面共布置15 個(gè)熱電偶，編號79～83 的5 個(gè)熱偶貼在模組Busbar 上，編號為122～124 的3 個(gè)熱偶布置在模組側(cè)面，編號為125～129 的5 個(gè)熱偶貼在模組底面，編號為24 和27 的2 個(gè)熱偶布置在模組導(dǎo)熱墊下表面，用于測量水冷板表面溫度。編號117、118 是模組自帶的2 個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，一上一下布在模組中間，用于溫度監(jiān)控。

24#模組表面共布置15 個(gè)熱電偶，編號29～33 的5 個(gè)熱偶貼在模組Busbar 上，編號為109～111 的3 個(gè)熱偶布置在模組側(cè)面，編號為112～116 的5 個(gè)熱偶貼在模組底面，編號為1 和2的2 個(gè)熱偶布置在模組導(dǎo)熱墊下表面，用于測量水冷板表面溫度。編號107、108 是模組自帶的2 個(gè)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，一上一下布在模組中間，用于溫度監(jiān)控。

2 結(jié)果與討論

2.1 仿真測試結(jié)果

圖6 和圖7 分別是12#和24#模組仿真熱分析的切面溫度分布云圖。

圖6 12#模組切面溫度云圖

圖7 24#模組切面溫度云圖

從云圖看出，模組上部和底部溫度差達(dá)到10 ℃，與Christophe Forgez 等[8-10]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)“電池表面與中心最大溫差達(dá)到10 ℃”相吻合。電池內(nèi)部溫度場分布不均勻。導(dǎo)熱墊上下表面溫度差2 ℃。溫度場仿真數(shù)據(jù)見表4。

表4 電池系統(tǒng)內(nèi)模組高度方向溫度場仿真結(jié)果

電池模組最高溫度是模組上表面的溫度，高于環(huán)境溫度，有16 ℃溫差。最低溫度是模組底部，貼近水冷板位置。冷卻液流動帶走了電池放電過程產(chǎn)生的熱量[11]。

2.2 測試驗(yàn)證結(jié)果

測試1C放電時(shí)12#和24#模組及水冷板表面溫度，獲取電池模組高度方向溫度場分布數(shù)據(jù)。兩個(gè)模組不同位置溫度隨時(shí)間變化曲線見圖8。

圖8 模組在1 C放電時(shí)的溫度曲線

圖8(a)為12#模組溫度數(shù)據(jù)，在1C放電過程中，Busbar溫度達(dá)到45.2 ℃，模組底部溫度33.1 ℃，溫度差12 ℃。這與仿真結(jié)果10.77 ℃接近；導(dǎo)熱墊上表面與水冷板溫度差2 ℃，與仿真結(jié)果2.16 ℃基本一致。

圖8(b)為24#模組溫度數(shù)據(jù)，在1C放電過程中，Busbar溫度達(dá)到45.9 ℃，模組底部溫度32.4 ℃左右，溫度差13.5 ℃，這與仿真結(jié)果10.61 ℃接近；導(dǎo)熱墊上表面與水冷板溫度差2 ℃，與仿真結(jié)果1.84 ℃基本一致。模組側(cè)面高度方向溫差1 ℃，上表面與高度方向溫差小于5 ℃，底面與高度方向溫差小于8 ℃。基點(diǎn)為上表面、側(cè)面和底面的最高溫度，三者間互相進(jìn)行比較得出。

12#、24#模組仿真和實(shí)測溫度數(shù)據(jù)比對說明仿真模型是適用且符合實(shí)際。12#和24#模組各布了3 個(gè)點(diǎn)，對這3 個(gè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較得出：側(cè)面高度方向溫差在1 ℃以內(nèi)。

3 結(jié)論

通過電池模組熱仿真及驗(yàn)證測試，獲得放電時(shí)模組溫度場分布數(shù)據(jù)。室溫(25 ℃)開啟流量為10 L/min 水冷系統(tǒng)，電池1C放電時(shí)，實(shí)測模組上表面最高溫度45 ℃，最高與最低溫度差12 ℃，與仿真結(jié)果一致；模組導(dǎo)熱墊上下表面溫度差2 ℃，也與仿真結(jié)果一致。模組側(cè)面高度方向溫差1 ℃，上表面與高度方向溫差小于5 ℃，底面與高度方向溫差小于8 ℃。