商用電動車電池模組熱管理研究

摘 要：文章在已有的研究成果基礎上，提出搭建特定模型分析電池模組產熱情況的研究思路，并結合有限元仿真計算方法，進一步探究基于不同環境溫度條件，電池在不同恒流倍率工況下的熱流特性。研究結果表明，根據仿真分析結果所提出的電池模塊風道改進方案，可以有效降低電池模組最高溫度，同時解決內部溫度分布不均勻問題，能為后續優化商用電動車電池設計提供參考。

關鍵詞：商用電動車 電池模組 熱管理

電動車電池模組長期處于高溫條件下，不僅會加劇電池、隔膜等部件老化，也會隨著電池溫度不斷升高或隔膜損壞嚴重而引發電池熱失控現象，導致電池容量降低，縮減電池使用期限。若未能及時處理上述情況，則會導致電池燃燒、爆炸等安全事故發生。因此，本文提出一種利用有限元仿真計算的方法，對不同恒流倍率工況下的電池模塊熱特性進行仿真分析，結合仿真結果，提出改進電池模組風道方案，降低電池模組最高溫度，同時解決內部溫度分布不均勻問題。

1 電動車電池模組熱管理研究現狀

通過分析電動車電池模組運行情況，得知導致電池熱失控原因主要涉及兩方面，分別是電池溫度過高和隔膜損壞嚴重。當電池模組處于高溫環境下運行時，則會加劇電池及隔膜老化，在一定程度上也會降低電池容量，且無法恢復，導致電池壽命縮短；一旦有大量熱量在電池模組內部積累，不僅會造成電池局部溫度升高，也會引發電池短路、熱失控等隱患，增加電池燃燒、爆炸等事故發生概率，威脅人的生命安全。目前電池模組熱特性逐漸成為商用電動車電池散熱性能優化研究的切入點，以提高電池模組安全性和可靠性，降低商用電動車熱失控發生燃燒、爆炸等安全事故發生概率，進而開發出兼具經濟性與安全性的商用電動車[1]。

其中電池熱管理是現階段電動車熱安全性研究方面所關注的重點，從現有國內外研究成果來看，大部分研究工作重點均指向電池產熱和散熱方面，部分學者提出利用熱耦合模型對鋰離子電池的電化學性能進行分析，得知鋰離子電池的接觸內阻是導致電池產熱現象出現的主要因素。通過進一步研究電池工作生熱特性，發現可以利用特定的電池生熱速率模型獲取關于電池工作生熱特性的參數，前提是必須保證電池內部生熱熱源穩定性以及電池組分布均勻性。各方面性能表現較好的電池，處于放電狀態時，伴隨過電勢濃度低現象，其混合熱可以忽略不計。由此可知，電池溫度與分布情況對電池壽命及安全性有著直接影響。從電動車電池組的熱性能與使用壽命兩方面展開研究，發現不同類型電動車均存在電池組溫差過大時，會降低電池組容量的情況；并通過開展相關試驗研究，確定了將電池組內部溫度控制在30℃-40℃范圍內能夠有效緩解電池組容量急速降低的情況。

通過深入研究電池熱特性，以相關理論為支撐，提出利用鋰離子電池集熱模型預測混合動力型車輛的鋰離子電池組熱特性，從研究結果來看，對冷卻系統中的風道寬度、流體流量等參數合理設置，或者為電動車配置具有加強散熱性能的冷卻系統，不僅可以防止電池組溫度突然升高，又能對電池組溫差起到有效控制作用。其中部分研究人員根據上述結論，提出以熱仿真方式探究改進鋰離子電池原有冷卻結構（強制風冷系統）的可行性，仿真結果表明，電池組最高溫度得到相應降低，且電池間的溫差也明顯縮減，說明改進冷卻結構有利于提高電池組散熱效果，可以增強電動車電池的熱安全性和熱可靠性。相較于乘用車，商用電動車面臨著極為復雜的工作條件，對電池的熱安全提出更高要求，研究商用電動車電池模組熱管理并改善電池模塊熱特性是目前主要任務。

2 基于商用電動車的電池模組熱管理方法

2.1 搭建電池組模型

2.1.1 計算鋰離子電池產熱的模型

基于充放電情況下，當電池內部有不同化學反應發生時，會引起熱行為和電池內阻現象，致使電池產生焦耳熱，該過程即是鋰離子電池生熱原理。其焦耳熱主要包括電化學反應熱、電解液分散熱等。在確保電池內部生熱熱源和電池組部分的穩定性和均勻性前提下，搭建電池組速率模型，通過該模型計算工作條件下的電池生熱速率。其計算公式如下：

式中表示充放電狀態下電池的電流，A；表示電池組中單個電池的體積；表示單個電池對應的開路電壓；表示單個電池的端電壓；表示熱力學溫度；表示溫度影響系數，計算中取值0.04mV/K。其中鋰離子電池生熱原理中的電池內產生不同化學反應時對應的焦耳熱、可逆反應熱分別用（）、表示[2]。在此基礎上，獲得電池的生熱速率以及產熱結果。可用下述公式進行表示：

式中可替換

2.1.2 選擇與設置電池模塊參數

通常情況下，商用電動車電池總容量有最低額定標準，最小電池容量不低于140kW·h。假設，電池模塊能量為40kW·h，若想保證其工作穩定性，并滿足不同工作條件的供電需求，電池模塊配置數量不得少于4個。同時以排列方式將多個電池模塊組合在一起，形成電池模組。

依據所掌握車架信息，組成規格為2×6的電池模組，需要電池模塊12個，采取串聯方式將各電池模塊進行連接，電池單體數量總計120個，電池模組電壓設置為192V。為了使電池模塊參數設置符合商用電動車輸出電壓標準，進行串聯的電池模組最少為3個，當前電池模組電壓即可達到576V。可以根據具體情況，調整串聯電池模組數量，直至電池模組電壓符合商用電動車輸出電壓標準。

綜合考慮單個電池極柱效應對整個電池模組溫度場影響，雖然無較大影響，但在選擇和設置電池模塊參數時，仍要考慮該方面影響因素；在搭建模型階段，需要簡化處理電池模塊中的每節單個電池（呈方形狀的磷酸鐵鋰電池）。鋰離子電池模塊參數設置參考表1。

結合表1所選擇和設置的鋰離子電池模塊參數，將其在仿真軟件中輸入，將獲得規格為200×130×36的電池模組，其中單個電池額定電壓、電池容量設置為3.2V、105Ah。

此外，將耦合傳熱作為模型中電池模塊與電池模塊壁面相接觸部位的邊界條件，在結合具體研究要求，調整該邊界條件的各項數據，為后續分析電池模組熱流分布情況提供參考依據。

2.2 商用電動車電池模塊基于不同恒流倍率條件下的熱特性仿真

為了確保仿真計算結果準確性，需要在仿真分析前，根據鋰離子電池模塊熱特性，設置多個熱流場數值分析條件，通過對比不同分析條件的仿真結果，以確定商用電動車電池模塊穩態熱特性。將電池模塊中單個電池設置為均勻發熱體，當溫度發生變化時，其熱特性參數、電池生熱速率均不會受到影響；因流體邊界壓力為零，在仿真計算過程中可以忽略其慣性力。考慮商用電動車電池模塊在不同恒流倍率條件下，其對應的電池生熱速率也存在一定差異，在此基礎上分析電池模塊在0.5C-1C的恒流倍率工況下的熱流特性，確保分析結果準確性。設置進風口速度與溫度參數，分別是2.5m/s、35℃，觀察電池模塊熱流場分布情況。

從原模型電池模塊最高溫度對比情況來看，環境溫度為25℃時，0.5C恒流倍率工況對應的原模型電池模塊最高溫度為301.97K；1C恒流倍率工況對應的原模型電池模塊最高溫度為320.49K。環境溫度為35℃時，0.5C恒流倍率工況對應的原模型電池模塊最高溫度為312.05K；1C恒流倍率工況對應的原模型電池模塊最高溫度為328.71K。

（1）根據仿真計算結果，當環境溫度為25℃時，商用電動車電池模組最高溫度上升至47.49℃，二者溫差為22.49℃[3]。

（2）當環境溫度為35℃時，商用電動車電池模組最高溫度上升至55.71℃，二者溫差為20.71℃。

（3）從溫度分布情況來看，電池模組內部溫度分布高度呈不均勻狀，與出風口距離較近位置，該位置電池溫度明顯高于進風口位置的電池溫度；與風口同一側的電池模組溫度分布則是較為均勻。

（4）從流體分布情況來看，前期進風口速度為2.5m/s，隨后電池模組內部最大風速升至4.48m/s，對比進、出風口位置的風速，進出口風速較大。

（5）從0.5C恒流倍率工況與1C恒流倍率工況各自對應的電池模塊溫度變化情況來看，當環境溫度為25℃時，0.5C恒流倍率工況下的電池模塊溫度明顯低于1C恒流倍率工況電池模塊溫度，二者溫度差為18.52℃；當環境溫度為35℃時，同樣存在上述情況，二者溫度差為16.66℃。不同恒流倍率工況下電池模組溫度升高原因，與恒流倍率增大時，電池生熱速率也隨之發生改變有著直接關系。

3 電池模塊風道改進方案

3.1 電池模塊風道改進方案可行性

結合上述仿真分析結果，在此基礎上提出兩個商用電動車電池模塊風道改進方案，以電池溫度降低效果為評估指標。改進方案內容如下：

一是，增加進、出風口的數量，原進、出風口數量各自均有3個，將其調整至各5個，以此解決電池模組溫度高和高度分布不均勻問題。（方案A）

二是，重新調整電池模組的風道，在其左右兩側各增加進風口5個，上下兩側各增加1個出風口。（方案B）

（1）設置進口初始溫度：35℃；進口風速：2.5m/s。從上述兩種方案的熱流場仿真計算結果來看，與原有電池模組的散熱結構相對比，采用方案A后，在1C恒流倍率工況下，環境溫度為35℃時，從電池模組截面溫度云圖來看，電池模組溫度得到相應降低，但最高溫度也僅是比原電池模組的散熱結構降低3℃左右；雖然該改進方案的采用，改進電池模塊風道后，使電池模組溫度適當降低，但由于電池模組兩側溫度仍較高，溫度分布不均勻問題未解決，與原電池模組散熱結構溫差分布也僅是相對縮小，與出風口中間部位相靠近的電池模塊，其溫度降低程度最為明顯。該方案中使最高風速增大，且高于原電池模組散熱結構，由此可知，風速適當增加，有利于提升電池模組散熱性能。

（2）采用方案B后，在0.5C恒流倍率工況下，環境溫度為25℃時，原模型電池模組最高溫度（熱力學溫度）為301.97K；方案A電池模組最高溫度為301.18K；方案B電池模組最高溫度為300.45K。環境溫度為35℃時，原模型電池模組最高溫度（熱力學溫度）為312.05K；方案A電池模組最高溫度為312.05K；方案B電池模組最高溫度為310.45K[4]。

在1C恒流倍率工況下，環境溫度為25℃時，原模型電池模組最高溫度（熱力學溫度）為320.49K；方案A電池模組最高溫度為315.39K；方案B電池模組最高溫度為311.89K。環境溫度為35℃時，原模型電池模組最高溫度（熱力學溫度）為328.71K；方案A電池模組最高溫度為325.59K；方案B電池模組最高溫度為321.89K。

（3）從上述各模型電池模組最高溫度對比情況來看，電池模組處于1C恒流倍率工況下，方案B的散熱效果明顯由于原模型和方案A。環境溫度為25℃時，采用方案B后，當前電池模組最高溫度僅有38.89℃，與原模型電池溫度模組溫差為8.6℃，說明采用該方案改進電池模組風道后，可以使最高溫度不超過40℃。環境溫度為35℃時，電池模組最高溫度為48.89℃，與原模型電池溫度模組溫差為6.82℃，采用該方案改進電池模組風道后，可以使最高溫度不超過50℃。從各模型電池模組內部溫度分布情況來看，方案B電池模組內部溫度分布更加均勻，在一定程度上能夠解決原電池模組散熱結構所存在的內部溫度分布不均勻問題。

（4）結合不同恒流倍率工況下的各模型電池模組最高溫度對比結果，相較于原模型的散熱結構，改進方案A或方案B軍均能有效降低電池模塊最高溫度；且方案B降溫效果優于方案A。且采用方案B后，可以實現在降低電池模塊最高溫度基礎上，解決電池模塊內部溫度分布不均勻問題。基本確定無論是在常溫或是高溫條件下，方案B在電池模塊最高溫度降低和緩解溫度均勻分布情況兩方面均有著一定效果。

3.2 結論

物理破壞試驗是過去檢測商用電動車電池模組熱安全與老化性能主要采用的方式，但檢測周期較長；本文提出一種利用有限元仿真計算的方法，并搭建測試模型，在電池模組前期開發階段進行仿真試驗，解決產品試制次數過多而導致開發成本增加的問題，同時又能利用該模型進一步探究上述兩種改進方案的可行性，根據分析結果，得出以下結論：（1）從電池模組熱流分布情況來看，電池模塊內部溫度分布不均勻現象較為明顯，與進風口靠近的電池模組溫度明顯低于靠近出風口電池模組的溫度。（2）隨著環境溫度升高與恒流倍率增大，會直接導致整個電池模組溫度負荷變大[5]。（3）對原電池模組的散熱結構進行改進，增加進、出風口數量，在一定程度上使電池模塊溫度適當降低。（4）將進風口在電池模塊上的分布位置進行調整后，明顯增加了風速，有效改善了電池模塊內部溫度均勻分布情況。

綜合上述內容，針對常溫或高溫環境條件，電池在不同恒流倍率工況下的熱流特性變化情況，得知隨著溫度升高和電流倍率增加，會使電池模組溫度發生改變，伴隨溫度過高和內部溫度分布不均勻現象。在此基礎上提出改進電池模塊風道方案，即在其左右兩側各增加進風口5個，上下兩側各增加1個出風口，達到增加最高風速和電池模塊中空氣粒子流動密度目的，以降低電池模組整體溫度，解決溫度分布不一致問題。

4 結語

綜上所述，商用電動車具備可觀的經濟性和安全性，有利于提高商用電動車銷售量以及增強市場競爭力，其中電池模組熱管理則是影響商用電動車這兩項條件的關鍵因素。本文提出搭建電池組模型以及配合電池模塊熱特性仿真等方法，進一步研究處于常溫和高溫狀態下電池模組最高溫度與分布情況，在此基礎上提出針對性改進建議，為商用電動車電池模組熱管理優化提供參考。

參考文獻：

[1]高大威，付靜江，王聰昌.純電動車動力電池包結構輕量化設計[J].公路交通科技，2023，40（06）：203-210.

[2]鄧志勇，韋瑤，鄭開淼.商用電動車電池模組熱管理分析[J].內燃機與配件，2023（02）：1-4.