電動汽車用鋰離子電池模組低溫加熱仿真研究

張祚銘，李強偉，張正杰，華 旸

(北京航空航天大學交通科學與工程學院，北京100191)

1 引言

鋰離子電池作為當前廣泛使用的動力電池，其具有比功率高、比能量高、長壽命，低自放電率、充電快速等諸多優點，被廣泛應用于電動汽車中[1]。但是，溫度會影響鋰離子電池的使用性能，尤其是在低溫的環境下，電池內部材料活性降低，其內阻會增加，容量和充放電功率會顯著下降，甚至會發生容量的不可逆衰減，鋰離子電池的充放電性能會受到顯著影響[2]。圖1為某款鋰離子電池在不同溫度下以10A的電流放電時放電電壓與放電容量之間的關系，可以看出，隨著溫度的降低，尤其是0℃以下鋰離子電池的放電容量會顯著降低，在-30℃的低溫環境下其放電容量基本只有額定容量的60%。因此，低溫環境下要使電池正常發揮性能應在使用前對電池進行預熱，使其溫度處于合適的工作區間。

圖1 某款鋰離子電池不同溫度下的10A放電曲線[3]

外部加熱通過外部生熱元件對電池進行加熱，具有布置簡單，易實現的特點，但不同的布置形式下預熱效果的溫度均勻性會有所不同[4]。因此，本文選取聚酰亞胺電熱膜(簡稱 PI 加熱膜)為加熱元件，采用有限元法仿真研究不同的加熱膜布置方式的加熱效果，仿真結果可以對低溫加熱系統的設計做出一定的指導。

2 數值仿真幾何模型

本文建立的電池仿真模型是基于某款 38 Ah 的方形鋰離子電池，其標稱電壓為 3.2 V。外形尺寸為長 148mm×寬 27 mm×高 91 mm。圖2是簡化的電池模組三維幾何模型。電池模組由兩列電池組組成，間距為 6mm，每列為 8 塊單體電池，模組共計 16 塊單體電池。在電池組表面設置溫度探測點來表征電池模組的溫度一致性，由于仿真模型的幾何對稱性，故取如圖2所示的四個溫度探測點。

圖2 模組簡化模型

電池箱體較復雜，為了仿真計算的方便，在建立電池箱的過程中進行了相應的簡化處理，忽略了箱體內部模組間的布線等不規則的結構及電池支架等裝置。對于電池組幾何模型則忽略了極耳，箱體內四周布置了保溫層，保溫層與電池模組間為空氣。電池模組與箱體內壁保溫層間距均設為 15 mm。

對于由兩列電池組所組成的電池模組，設置了在電池模組中三種不同布置形式的外部加熱方式，如圖3(a-c)所示分別為模組中每兩塊電池中心表面間布置加熱膜、模組中每列電池組的兩個側面布置加熱膜、模組每列電池組的側面和底面均布置加熱膜。由于加熱膜屬于外部熱源，在加熱的過程中熱量由電池表面向內部逐漸傳遞，所以電池的表面溫度與內部溫度是有一定差異的。通過溫度傳感器只能實際測表面溫度，其高于內部溫度，所以以表面的溫度作為測量指標是不準確的，通過數值仿真的方式得出包含內部溫度在內的平均溫度，以此為溫度指標來研究加熱性能。

圖3 加熱膜的不同布置方式

3 鋰離子電池熱特性建模

3.1 熱特性模型的建立

電池組的加熱過程中熱量傳遞主要為熱傳導和對流換熱兩種方式，熱輻射影響非常小，可以忽略不計。為建立低溫加熱條件下電池的熱特性模型，采用建立瞬態導熱微分方程的方式并結合有限元法進行數值計算，便可以求解得出整個電池內部的溫度場分布。

由于仿真研究的是外部加熱，故電池自身內部無內熱源生熱功率。

本仿真中初始條件即電池和外界環境初始溫度即壁面初始溫度設定為-20℃，邊界條件設定為自然對流條件下壁面表面傳熱系數取5W/(m2·K)。

3.2 熱物性參數確定

3.2.1 電池熱物性參數

電池內部各組分材料的相關熱物性參數由某電池廠家提供，見表1，以集流板平面的法向為x方向，其余兩個方向為y、z方向。

表1 電池單體熱物性參數

3.2.2 加熱膜熱物性參數

仿真采用聚酰亞胺電熱膜(簡稱PI加熱膜)對電池組進行低溫加熱仿真研究，其具有加熱均勻性能好，加熱速率快的特點，并且在不同面積部位可滿足不同的加熱功率要求和加熱溫度要求，產品安全、可靠，使用壽命長，占用空間小，因此廣泛應用于加熱領域。設定加熱膜厚度為1mm，熱物性參數文獻[5]設定，見表2。

表2 加熱膜的熱物性參數

3.2.3 保溫層熱物性參數

電池箱體內壁填充二氧化硅氣凝膠板作為保溫材料，厚度設為10mm，其具有隔熱效果好，性能穩定，使用周期長等優點。設置保溫材料有助于延長加熱效果的有效保持時間，以免電池組溫度在低溫環境下進行加熱后迅速降低。保溫層的熱物性參數依據某廠家的某款產品設置如下，見表3。

表3 保溫層的熱物性參數

4 仿真結果與分析

4.1 電池中心表面間布置加熱膜

方式一為每兩塊電池的中心表面共用一個加熱膜，共計14片加熱膜，每一片加熱膜的尺寸為長108mm，寬51mm加熱膜的兩個側面均會發熱，對電池進行外部加熱。模組四周邊緣的四塊電池的外側表面并未布置加熱膜，這是由于若布置加熱膜，一方面其只有一個加熱面接觸電池，另外一個加熱面直接暴露于箱體內部，由于加熱過程加熱膜表面溫度的升高易對電池箱內其它充放電線和電池支架等附件造成安全隱患。另一方面是從能耗的角度考慮，故最外側未布置加熱膜。

每片加熱膜均設置相同的加熱功率，仿真研究5組不同的加熱功率的加熱效果。圖4為環境溫度為-20℃的情況下設置單片加熱膜的加熱功率分別為15W、20W、25W、30W、35W時，電池組的平均溫度與加熱時間的關系。由于加熱膜的功率設為恒定，所以電池的平均溫度與加熱時間基本為線性變化。由仿真結果可知，電池組由-20℃加熱到平均溫度為10℃的時間分別為40min、30.5min、24.3min、20.1min、17.1min。加熱時間隨著加熱功率的增大而縮短，但縮短的幅度逐漸減小，由此可以說明為了縮短電池組的低溫預熱時間，應選擇合理的加熱功率，在此基礎上提高功率對縮短加熱時間的效果逐漸減弱，但加熱能耗會消耗更多。

圖4 電池平均溫度與加熱時間的關系

圖5為電池組由-20℃加熱到10℃的過程中不同加熱功率下加熱膜的平均溫度，單片加熱功率為35W時，加熱膜的平均溫度最高，為36℃，其余幾組加熱功率下平均溫度在12℃至30℃之間，均屬于安全工作范圍。5組不同加熱功率下加熱膜的表面溫度均呈現在初始一段時間內溫升較快，隨后溫升速率有相應降低的特點，這是由于熱量由加熱膜內部首先產生，并通過熱傳導的方式傳遞到加熱膜表面，此階段加熱膜的溫度迅速升高。隨后熱量由加熱膜表面會進一步再傳遞到電池表面并進而向電池內部傳遞，所以溫升速率會有所減緩。

圖5 加熱膜平均溫度

不同加熱功率下的最大溫差如圖6所示，可以看出，方式一采用電池中心表面間布置加熱膜的方式最大溫差均在10℃以上，這是由于模組四周邊緣的四塊電池的外側表面并未布置加熱膜的緣故，從溫度一致性的角度考慮，可以在其四個外側表面布置尺寸相對較小且加熱功率較低的加熱膜來改善溫度一致性。此外，最大溫差隨著加熱功率的增加而增大，這是由于提高加熱功率會使最內側探測點處溫度快速升高，但最外側探測點處的電池與冷空氣接觸面積大，溫升速率相對緩慢所致。表明此種布置形式下提高加熱膜的加熱功率雖然可以縮短加熱時間，但電池組的溫度一致性會變差。

圖6 最大溫差與加熱功率的關系

4.2 側面布置加熱膜

方式二選擇在每一列電池組的兩個側面整體布置加熱膜，共計4片加熱膜，每一片加熱膜的尺寸為長216mm，寬51mm。設定每片加熱膜的加熱功率相同，仿真研究五組不同的加熱功率下的加熱效果，五組加熱功率分別為52.5W、70W、87.5W、105W、122.5W，每組的總功率與方式一的五組總功率分別對應相同。

電池的平均溫度與加熱時間的關系如圖7 所示，電池平均溫度由-20℃加熱到10℃的時間分別為39.8min、30.2min、24.2min、20.0min、17.0min?？梢钥闯?，選擇側面布置加熱膜的加熱時間與方式一中表面布置加熱膜基本無變化。這是由于兩種布置方式下對應的總加熱功率各自相等，所以加熱時間基本相同。但加熱膜的溫度與電池組的溫度一致性會有所差別。

圖7 側面加熱時電池平均溫度與加熱時間的關系

加熱膜的平均溫度與加熱時間的關系如圖8所示，單片加熱膜的加熱功率為122.5W時，加熱膜的平均溫度最高，為64℃，此時基本會超出電池安全使用的溫度上限，電池組已有外部熱濫用的風險，嚴重時可能會引起電池發生熱失控現象。熱失控是指當電池的到達一定溫度時，會產生放熱連鎖反應的過熱現象，溫升速率快速上升，溫度不再可控，從而引發起火的一種危險情況[6]。電池溫度急劇升高單片加熱膜的加熱功率為52.5W時，加熱膜的平均溫度最低，為33℃，可以滿足使用要求。由此可以看出，在側面布置加熱膜的方式下，要謹慎選擇加熱膜的加熱功率，以免引起電池的熱安全問題。

圖8 加熱膜平均溫度與加熱時間關系

設置與方式一中相同位置的四個溫度探測點，通過最大溫差來表征電池模組的溫度一致性，不同加熱功率下的最大溫差如圖9所示，可以看出，方式二采用電池側面布置加熱膜的方式最大溫差均在0.5℃以內，隨著加熱功率的增加，最大溫差的變化趨勢與表面布置加熱膜時相反，表現出逐漸減小的趨勢，這是因為側面布置加熱膜的方式下每個單體電池的加熱面積相同，溫度均勻性會顯著提高。

圖9 最大溫差與加熱功率的關系

4.3 側面和底面布置加熱膜

方式三在每一列電池的兩個側面和底面均布置加熱膜，兩列電池組共計6片加熱膜，每片加熱膜的尺寸為長216mm，寬51mm。設定6片加熱膜的總功率與方式一相同，則設定平均每片加熱膜的加熱功率分別為35W、46.7W、58.3W、70W、81.7W五種形式，仿真研究其加熱效果。電池的平均溫度與加熱時間的關系如圖10所示，電池平均溫度由-20℃加熱到10℃的時間分別為40.0min、30.1min、24.0min、20.0min、17.0min?？梢钥闯?，同樣由于總的加熱功率是各自相同的，所以加熱時間并未有顯著變化。

圖10 側、底面加熱時電池平均溫度與加熱時間關系

加熱膜的平均溫度與加熱時間的關系如圖11所示，單片加熱膜的加熱功率為81.7W時，加熱膜的平均溫度最高，為40℃。單片加熱膜的加熱功率為35W時，加熱膜的平均溫度最低，為24℃，可以滿足使用要求。與方式二加熱膜的布置方式相比，由于每一列電池組在底面增加了1片加熱膜，可以降低每片加熱膜的加熱功率，因此加熱膜的平均表面溫度和第二種方式相比顯著降低，提高了預熱過程中的電池熱安全性。

圖11 加熱膜平均溫度和加熱時間的關系

在電池組表面設置方式一中同樣位置的四個溫度探測點來表征電池模組的溫度一致性，不同加熱功率下的最大溫差如圖12所示，可以看出，方式二采用電池側面布置加熱膜的方式最大溫差均在0.5℃以內，最大溫差為0.47℃，溫度一致性較好。隨著加熱功率的增加，最大溫差逐漸減小。

圖12 最大溫差和加熱功率的關系

5 結論

本文并設置了三種不同的加熱膜布置形式，利用數值仿真的方式對電池組在-20 ℃加熱到平均溫度為10 ℃的過程中的加熱效果進行了模擬分析，得出的主要結論如下：

1)在總加熱功率相同的情況下，三種加熱膜布置方式的加熱時間基本相同，并且隨著加熱功率的增大而縮短，但縮短的幅度逐漸減小，由此可以說明應根據低溫預熱的時間需求，合理選擇加熱功率；

2)方式一中電池表面間布置加熱膜時，電池組的最大溫差達到14.7℃，并且隨著加熱功率的增加而增大；

3)方式二中電池組側面布置加熱時，單體間的溫度均勻性均可以維持在0.5℃以內，并且最大溫差隨著加熱功率的增加會進一步有所減小。但從加熱膜的平均溫度方面考慮，不宜選擇較大功率，以免對電氣附件造成熱安全問題；

4)方式三中電池組側面和底面均布置加熱膜時，單體間的溫度均勻性同樣可以維持在0.5℃以內，最大溫差也會隨著加熱功率的增加而有所減小。但在同樣的總功率下，每片加熱膜的加熱功率可以有所降低，有效降低了加熱膜的平均溫度，提高了使用的安全性。綜合來看，三種方式下采用此種布置方式加熱效果最優。