新能源汽車單體鋰離子電池三維散熱模型仿真

王英舜，楊 真

(1.廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東東莞 523000；2.華東交通大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，江西南昌 330000)

1 引言

采用非燃料或添加車載動(dòng)力裝置動(dòng)力汽車稱為新能源汽車，自新能源汽車面世以來(lái)，掀起了汽車研發(fā)領(lǐng)域巨大變革[1]，新能源汽車具有噪音小、污染物排放、能量轉(zhuǎn)化效率強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，新能源汽車的出現(xiàn)降低了大氣環(huán)境污染指數(shù)，可有效延緩厄爾尼諾現(xiàn)象[2]。在新能源汽車多種動(dòng)力方式中，鋰離子電池由于具有儲(chǔ)備能量大、經(jīng)濟(jì)、便捷和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，其使用最為廣泛，隨著快速充電技術(shù)的出現(xiàn)，可在幾分鐘之內(nèi)為鋰離子電池充電60%左右，但電池的快速充電與放電，使電池結(jié)構(gòu)無(wú)法承受溫度驟變帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。雖然新能源汽車優(yōu)點(diǎn)眾多，但受其動(dòng)力裝置鋰離子電池散熱性能影響，使電池內(nèi)部形成不可修復(fù)的容量損耗，導(dǎo)致汽車使用性能較差[3]，因此研究新能源汽車鋰離子電池散熱特性是提升新能源汽車行業(yè)技術(shù)水平的首要途徑。

目前許多歐美國(guó)家均致力于研究鋰離子電池使用性能，由于新能源汽車經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電后，在電池內(nèi)部形成的溫度較高，隨著汽車行駛，電池放電過(guò)程使其內(nèi)部材料阻值等發(fā)生改變，因此對(duì)鋰離子電池使用性能研究成果不是很理想[4]。由于鋰離子電池受熱導(dǎo)致汽車出現(xiàn)起火、電池爆炸等事故層出不窮，嚴(yán)重威脅新能源汽車使用者經(jīng)濟(jì)損失和生命安全，為此有效控制鋰離子電池溫度，充分掌握其散熱特性是當(dāng)前新能源汽車領(lǐng)域重點(diǎn)研究方向之一[5]。

本文通過(guò)構(gòu)建鋰離子電池三維熱模型對(duì)新能源汽車鋰動(dòng)力電池散熱特性展開模擬測(cè)試，為新能源汽車行業(yè)推動(dòng)提供技術(shù)支持。

2 新能源汽車鋰動(dòng)力電池散熱特性模擬測(cè)試

2.1 鋰離子電池物理參數(shù)選取與模擬環(huán)境設(shè)定

新能源汽車鋰動(dòng)力電池由多個(gè)單體鋰電池組成，本文使用30個(gè)單體鋰電池組成電池模塊，單體電池選擇磷酸鐵鋰型動(dòng)力電池，電池排列與網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 電池排列與網(wǎng)格劃分示意圖

本文方法使用的鋰離子電池電壓為35V，使用12個(gè)串聯(lián)和2個(gè)并聯(lián)接口相連接，電池容量為20Ah，單個(gè)電池物理參數(shù)如表1所示。

表1 單體鋰離子電池物理參數(shù)

2.2 單體鋰離子電池三維熱模型構(gòu)建

2.2.1 單體鋰離子電池導(dǎo)熱微分方程

根據(jù)鋰離子電池傳熱特點(diǎn)，熱量從電池中心位置向外部傳輸，當(dāng)熱量到達(dá)電池外部時(shí)，接觸到空氣后以熱對(duì)流與熱輻射的方式消散掉，以達(dá)到電池散熱目的，電池外部溫度和所處環(huán)境溫度決定了電池?zé)彷椛渌l(fā)的總能量，當(dāng)電池外部溫度較高而電池所處環(huán)境溫度較低時(shí)，電池?zé)彷椛涞哪芰吭酱骩6]，當(dāng)電池表面溫度和其所處環(huán)境溫度差值低于80攝氏度時(shí)，以熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式消散的熱量極小，因此對(duì)于電池?zé)彷椛渌⒌哪芰坎挥栌?jì)算。由于鋰離子電池是通過(guò)多種材料層層疊加制作而成，且各個(gè)材料特性不同，因此鋰離子電池結(jié)構(gòu)繁瑣，為簡(jiǎn)化鋰離子電池特性模擬復(fù)雜度，采取質(zhì)量平均法簡(jiǎn)化鋰離子電池內(nèi)部與外部，簡(jiǎn)化后的鋰離子電池如圖2所示。

圖2 鋰離子電池簡(jiǎn)化后示意圖

在后續(xù)對(duì)鋰離子電池模擬過(guò)程中，將電池內(nèi)部層層疊加的材料發(fā)熱體作為一個(gè)發(fā)熱整體，由于電磁材料的導(dǎo)熱數(shù)值、比熱容等數(shù)值均具有不可變更性，因此電池在通電過(guò)程中，該發(fā)熱整體內(nèi)電流分布狀態(tài)較均勻，不受電壓荷載影響。

依據(jù)簡(jiǎn)化后的鋰離子電池，利用傅里葉導(dǎo)熱定理和能量守恒理論，獲取位于坐標(biāo)系內(nèi)鋰離子電池導(dǎo)熱表達(dá)式如下

(1)

上述公式中，K、cp、r、P分別表示電池平均密度、比熱容、電池半徑、平均生熱速率，電池徑向?qū)嵯禂?shù)為λr，軸向?qū)嵯禂?shù)為λz。其中電池平均密度單位為kg/m3，比熱容單位為J/(kg·℃)，電池半徑單位為m。

假設(shè)電池外部和電池所處環(huán)境溫度相同是鋰離子電池導(dǎo)熱表達(dá)式初始要素，以第三類邊界條件作為該表達(dá)式的對(duì)流換熱邊界條件[7]，則其表達(dá)公式如下：

(2)

(3)

上述公式中，對(duì)流換熱系數(shù)由k表示，T0表示電池初始溫度，T∞則表示電池在持續(xù)通電過(guò)程中的溫度平均數(shù)值，且式(2)同時(shí)符合條件x=0和x=r，式(3)符合條件x=0和x=h，其中，h表示電池高度。

2.2.2 鋰離子電池物理參數(shù)計(jì)算

依據(jù)表1內(nèi)鋰離子電池參數(shù)，計(jì)算其平均密度、導(dǎo)向系數(shù)等相關(guān)物理參數(shù)。利用電池內(nèi)層層疊加的材料質(zhì)量總數(shù)和總體積計(jì)算電池的平均密度，其表達(dá)公式如下

(4)

上述公式中，Kn代表電池內(nèi)部材料密度，Vn代表電池內(nèi)部材料體積，V為電池總體積。

由于鋰離子電池為圓柱形狀，所以其軸向?qū)嵯禂?shù)和徑向?qū)嵯禂?shù)數(shù)值相差較大，通常來(lái)講，徑向?qū)嵯禂?shù)較軸向?qū)嵯禂?shù)低[8]，本文利用多層平板熱阻法計(jì)算兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)，表達(dá)公式如下

(5)

(6)

式中，利用式(5)計(jì)算鋰離子電池徑向?qū)嵯禂?shù)，利用式(6)計(jì)算其軸向?qū)嵯禂?shù)。

鋰離子電池的比熱容與其內(nèi)部層層疊加的材料相關(guān)[9]，本文使用質(zhì)量加權(quán)算法對(duì)電池內(nèi)部材料進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)公式如下

(7)

利用上述公式獲取鋰離子電池比熱容數(shù)值。在計(jì)算鋰離子電池生熱速率時(shí)，將電池內(nèi)部材料生熱當(dāng)作均勻狀態(tài)[10]，其生熱速率表達(dá)公式如下

(8)

Zocp-Z=IRj

(9)

對(duì)式(8)進(jìn)行簡(jiǎn)化，其表達(dá)式如下

(10)

依據(jù)式(10)可知，充電電流、放電電流、電壓受溫度影響變化情況以及電池內(nèi)阻等情況決定了鋰離子電池在運(yùn)行過(guò)程中的生熱速率[11]。由于電池端電壓受放電倍率影響較小，因此本文將電池端電壓看作一組常數(shù)。

通過(guò)鋰離子電池參數(shù)計(jì)算該電池內(nèi)阻和開路電壓數(shù)值，利用式(10)獲取放電倍率不統(tǒng)一的情況下其生熱速率和SOC函數(shù)關(guān)系[12]，其表達(dá)公式如下

(11)

式中，SOC0、I、t、WR分別表示鋰離子電池開始放電時(shí)的荷電狀態(tài)、時(shí)間、電池額定容量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

依據(jù)2.1小節(jié)所設(shè)定的模擬環(huán)境和鋰離子電池物理參數(shù)，利用MATLAB仿真軟件對(duì)新能源汽車鋰動(dòng)力電池散熱特性展開模擬，其中鋰離子電池性能參數(shù)詳見表2。

表2 鋰離子電池性能參數(shù)

設(shè)置實(shí)驗(yàn)的鋰離子電池散熱方式為冷卻，對(duì)于電池向外部散發(fā)的熱輻射忽略不計(jì)，對(duì)其實(shí)施充電、放電測(cè)試，測(cè)試本文模擬結(jié)果是否具備權(quán)威性。設(shè)置電池溫度和實(shí)驗(yàn)環(huán)境為20攝氏度，鋰離子電池放電倍率分別為0.5、1、1.5、2、2.5 C，測(cè)試不同放電倍率下，電池溫度變化情況，結(jié)果如表3所示。

分析表3可知，隨著放電倍率的增加，該鋰離子電池最高溫度也不斷增加，電池放電時(shí)間迅速降低，而電池最大溫差數(shù)值上升速度較快，放電倍率為2.5C時(shí)的電池最大溫差是放電倍率為0.5時(shí)電池最大溫差的7.33倍，當(dāng)放電倍率為2.5C時(shí)的電池最高溫度較其初始溫度高25.36398攝氏度，當(dāng)該電池位于新能源汽車電池箱體內(nèi)時(shí)，其散熱條件降低，電池散熱性能較差。綜上可知，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合鋰離子電池散熱原理，因此本文方法具有一定的權(quán)威性。

表3 不同放電倍率下鋰離子電池溫度變化情況

設(shè)置不同散熱風(fēng)速情況下，使用仿真軟件繪制鋰離子電池組串行散熱方式與插行散熱方式電池的最大溫差變化數(shù)值曲線，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同散熱風(fēng)速時(shí)電池組串行、插行最大溫度變化曲線

分析圖3可知，隨著散熱風(fēng)速的增加，電池串行和插行的最大溫度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中電池串行最大溫度曲線數(shù)值始終高于插行溫度，且呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，而電池插行溫度下降曲線具有線性特點(diǎn)，由此可知，電池的串行排列散熱性能低于插行排列。

設(shè)置鋰離子放電倍率為1.5C，測(cè)試鋰離子電池組在單向吸風(fēng)散熱方式和單向散熱吹風(fēng)方式條件下的最高溫度變化情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同散熱方式下鋰離子電池組最高溫度變化情況

分析圖4可知，當(dāng)散熱風(fēng)速相同時(shí)，吸風(fēng)方式下鋰離子電池組開始散熱時(shí)的最高溫度高于吹風(fēng)方式，隨著散熱風(fēng)速的增加，吸風(fēng)方式時(shí)電池最高溫度要低于吹風(fēng)方式時(shí)電池最高溫度，由此可知，當(dāng)鋰離子電池放電倍率為1.5C時(shí)，單向吸風(fēng)散熱方式效果高于單向吹風(fēng)散熱方式。

設(shè)置風(fēng)速為4m/s，通風(fēng)周期為200s，通風(fēng)方式為單向通風(fēng)和往復(fù)通風(fēng)，繪制該電池溫度變化情況，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同通風(fēng)方式下鋰離子電池溫度隨時(shí)間變化曲線

分析圖5可知，不同通風(fēng)方式下鋰離子電池溫度曲線隨著時(shí)間的增加而增加，在該電池開始通風(fēng)的前45s，單向通風(fēng)方式與反復(fù)通風(fēng)方式時(shí)的電池最高溫度曲線完全重合，隨著通風(fēng)時(shí)間的增加，反復(fù)通風(fēng)方式下的電池最高溫度曲線出現(xiàn)波動(dòng)上漲趨勢(shì)，而單向通風(fēng)方式下的電池最高溫度曲線呈現(xiàn)平緩上升趨勢(shì)，兩種通風(fēng)方式下的電池最高溫差為12攝氏度，表示通風(fēng)周期時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，往復(fù)通風(fēng)方式較單向通風(fēng)方式散熱效果差。

測(cè)試鋰離子電池組在不同開縫寬度情況下，單向通風(fēng)方式下的溫度變化情況，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同開縫寬度情況下電池溫度變化情況

分析圖6可知，電池最高溫度與其開縫寬度成反比例關(guān)系，且降低最大幅度約為10攝氏度，由于電池的開縫寬度改變了空氣流動(dòng)方向，當(dāng)電池開縫寬度較大時(shí)，空氣流動(dòng)方向變化越小，則其破壞電池溫度場(chǎng)邊界效應(yīng)越弱，由此可知，電池開縫寬度越小其散熱性能越好。

4 結(jié)論

本文使用磷酸鐵鋰型電池組成電池組，對(duì)新能源汽車鋰動(dòng)力電池散熱特性展開模擬測(cè)試，通過(guò)研究其散熱特性，為新能源汽車行業(yè)革新提供技術(shù)支持。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法模擬的鋰離子電池最高溫度與其放電倍率成正比，測(cè)試結(jié)果符合鋰離子電池散熱原理，測(cè)試結(jié)果具有一定權(quán)威性；在不同散熱風(fēng)速情況下，電池串行最大溫度曲線數(shù)值始終高于插行溫度；當(dāng)散熱風(fēng)速相同且鋰離子電池放電倍率為1.5C時(shí)單向吸風(fēng)散熱方式效果高于單向吹風(fēng)散熱方式；不同通風(fēng)方式下鋰離子電池溫度曲線與時(shí)間成正比，通風(fēng)周期時(shí)間延長(zhǎng)時(shí)，往復(fù)通風(fēng)方式較單向通風(fēng)方式散熱效果差。