鋰電池模組快充工況下溫度特性分析與仿真驗(yàn)證

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋰電池模組；快充；熱仿真；溫度場(chǎng)；試驗(yàn)驗(yàn)證

0引言

鋰電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，其在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地進(jìn)行散熱，就會(huì)導(dǎo)致電池溫度過高，進(jìn)而影響電池的性能、壽命和安全[1]。鋰離子電芯的最佳工作溫度范圍一般在15.0～45.0℃，動(dòng)力電池組溫度過高時(shí)，電池性能會(huì)發(fā)生衰退，當(dāng)溫度達(dá)到45.0℃時(shí)，電池極化內(nèi)阻開始急劇增加；當(dāng)電池組溫度超過50.0℃時(shí)，電池內(nèi)部反應(yīng)加劇，電池放電功率明顯下降；當(dāng)溫度超過90.0℃后，由于負(fù)極表面的SEI膜開始溶解，電池容易發(fā)生短路，此時(shí)溫度會(huì)急劇上升，進(jìn)一步將引發(fā)熱失控，發(fā)生爆炸等安全事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力電池自身溫度最好在45.0℃以下，最高不要超過50.0℃[2-3]。此外電芯之間的溫度差應(yīng)小于5.0℃，保證每個(gè)電池的溫度大致相同，不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)電池高溫導(dǎo)致該電芯快速老化。因此，在各工況下，控制電池組溫度的穩(wěn)定性及單體電池之間溫差的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

電池系統(tǒng)熱仿真可以幫助工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行熱管理方案的優(yōu)化。通過計(jì)算機(jī)建模和仿真分析，可以在電池系統(tǒng)樣件做出來之前快速評(píng)估電芯溫度變化特性。因此電池系統(tǒng)熱仿真是研究鋰電池充放電過程中溫度變化特性的一種快速又節(jié)省成本的有效方法。

Bernardi等[4]提出了電芯發(fā)熱的一般能量平衡公式。OmerKalaf對(duì)電動(dòng)車的熱管理系統(tǒng)的仿真和試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)綜述[5]，介紹了不同方案的冷卻系統(tǒng)。李勝輝等、周慶輝等[6-7]也通過CFD流體仿真軟件建立電芯、模組熱仿真模型，開展了溫度特性研究。聶磊[8]等研究動(dòng)力電池在快充過程中發(fā)熱量大的問題，提出了一種冷媒直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，利用制冷劑在流道內(nèi)的相變潛熱吸收動(dòng)力電池的熱負(fù)荷，電池冷板表面平均溫度可控制在15.0～20.0℃的最佳溫度區(qū)間內(nèi)，并達(dá)到溫差小于4.0℃的良好均溫性。NanchangDai[9]等研究了基于制冷劑直接冷卻的快速充電電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，構(gòu)建電池發(fā)熱模型和熱管理系統(tǒng)的仿真模型，并建立了試驗(yàn)裝置。通過理論模擬和試驗(yàn)研究，包括在低溫和高溫快充條件下的測(cè)試。研究結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的熱管理系統(tǒng)具有良好的冷卻效果和溫度均勻性。

鋰電池技術(shù)的分類主要依據(jù)其正極材料的種類，包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池以及新興的鈉離子電池等。磷酸鐵鋰電池以其出色的熱穩(wěn)定性和安全性特點(diǎn)，在乘用車、商用車、儲(chǔ)能等安全性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中占有一席之地。本文研究對(duì)象為某個(gè)磷酸鐵鋰電芯組成的動(dòng)力電池包模組，開展快充場(chǎng)景下的熱管理特性研究，針對(duì)1C倍率下的快充測(cè)試，記錄電芯溫度特性，為后續(xù)對(duì)比分析熱仿真結(jié)果提供依據(jù)。通過三維仿真軟件建立鋰電池模組的三維熱仿真模型，在室溫條件下開展熱仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，說明該模組在1C快充的可行性，證明了Bernardi發(fā)熱率公式的適用性。

1鋰電池模組快充試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的是磷酸鐵鋰電芯67A·h組成的鋰電池模組，單節(jié)67A·h電芯的寬、厚、高尺寸為（100×43×145）mm，總共有16節(jié)方形電芯分兩排組成，連接方式為“2P8S”，通過打包帶和兩端的金屬端板組裝成一個(gè)穩(wěn)定的模組結(jié)構(gòu)。對(duì)鋰電池模組開展1C倍率下的快充試驗(yàn)，以觀察電芯溫升變化特性。動(dòng)力鋰電池模組實(shí)物和溫度傳感器（以下簡稱溫感）1～8號(hào)的布置位置如圖1所示。

1.1試驗(yàn)設(shè)備

充放電設(shè)備為RePowerTechnologyCo.，Ltd生產(chǎn)的測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)中的測(cè)溫選用BMS自帶的溫感測(cè)量系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)同步到充放電測(cè)試柜中，顯示的是鋰電池模組溫感表面溫度，試驗(yàn)結(jié)束后可以處理輸出的溫度數(shù)據(jù)。

1.2試驗(yàn)方案

在本快充試驗(yàn)中，將快充倍率設(shè)置為1C，室溫25.0℃，自然散熱，具體的試驗(yàn)流程如下。

（1）將模組靜置10s。

（2）對(duì)模組做恒流快充，快充倍率為1C（134A），持續(xù)1.0h。

（3）將快充后的鋰電池靜置0.5h。

1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

利用試驗(yàn)中BMS記錄的溫度數(shù)據(jù)，同步到充放電測(cè)試柜中，試驗(yàn)結(jié)束后將輸出的溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出來。然后找出不同位置溫感溫度的最大值，得到如下不同位置溫感的溫度數(shù)值表。從表1可以看出，分析發(fā)現(xiàn)：隨著快充過程的進(jìn)行，鋰電池在快充過程中的溫度數(shù)值顯著增大，最高溫度和最低溫度分別達(dá)到43.8℃和41.1℃，溫升分別為18.8℃和16.1℃。電芯一般15.0～45.0℃范圍是性能最佳，超過45.0℃以后性能會(huì)有所下降，并且為了防止電芯熱失控一般會(huì)進(jìn)行降流和溫度保護(hù)處理。該快充試驗(yàn)?zāi)┒穗娦镜臏囟炔⑽闯^45.0℃溫度上限值，溫差為2.7℃，滿足5.0℃溫差限值的要求。上述結(jié)果說明該鋰電池模組可以實(shí)現(xiàn)1C快充。

2熱仿真

鋰電池除了做功和儲(chǔ)存能量外，在充電和放電過程中還會(huì)產(chǎn)生熱量。這些熱量一部分被電池本身的材料吸收，從而提高了電池的溫度。它從電池內(nèi)部移動(dòng)到電池外部，并通過被空氣或其他介質(zhì)吸收而去除。鋰電池模組內(nèi)部熱量傳遞方式主要是熱傳導(dǎo)[10]。本文采用三維CFD熱仿真模擬軟件開展鋰電池模組熱仿真，先是開展發(fā)熱功率的公式選取及計(jì)算、熱仿真模型的簡化以及網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置和求解設(shè)置，然后是求解計(jì)算、結(jié)果輸出與分析。

2.1發(fā)熱功率計(jì)算公式

鋰離子電池由正負(fù)電極、膜片、電解液、液集等組成，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的關(guān)鍵是準(zhǔn)確計(jì)算電芯的發(fā)熱功率。電池的發(fā)熱功率受諸多因素的影響，如電流密度、有機(jī)碳和環(huán)境溫度。由于電池發(fā)熱功率并非線性，直接測(cè)量比較困難。目前，單體鋰離子電池的生熱現(xiàn)象成為科研人員的研究熱點(diǎn)。鋰電池的發(fā)熱功率有多種計(jì)算方法，關(guān)于電池電化學(xué)－熱特性的研究，通常需要構(gòu)建模型求解，其中主要有一維模型和多維模型等，比較復(fù)雜。

Bernardi的數(shù)學(xué)模型被廣泛應(yīng)用于計(jì)算電池的產(chǎn)熱率。該數(shù)學(xué)模型對(duì)鋰離子單體電芯做了簡化假設(shè)：電芯內(nèi)部產(chǎn)熱均勻，內(nèi)部材料均勻，密度一致，荷電狀態(tài)和溫度的變化不會(huì)影響材料熱物性參數(shù)，不考慮對(duì)流換熱和輻射散熱對(duì)電池的影響，發(fā)熱功率計(jì)算公式為：

2.2熱仿真模型

本文利用三維熱仿真軟件對(duì)模組開展仿真。對(duì)簡化數(shù)模劃分網(wǎng)格，由于匯流排的幾何模型形狀比較復(fù)雜，建議采用多面體網(wǎng)格；多面體網(wǎng)格的單元數(shù)量相比四面體網(wǎng)格可減少30%以上，從而顯著降低計(jì)算用時(shí)，同時(shí)多面體網(wǎng)格具有更好的計(jì)算收斂性。劃分出的多面體網(wǎng)格總數(shù)量1311281，F(xiàn)ACEVALIDITY最小值＞0.95，體積變化率＞0.01，滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。

2.3鋰電池模組溫度場(chǎng)仿真

在快充工況下，設(shè)置鋰電池的初始溫度為25.0℃，快充倍率為1C，通過Bernardi生熱率公式計(jì)算出單電芯產(chǎn)熱功率為7.394W。鋰電池模型網(wǎng)格劃分完成后，軟件里面加載發(fā)熱功率，開展快充階段的熱仿真。1C恒流快充結(jié)束時(shí)鋰電池的溫度場(chǎng)分布情況如圖2所示。

鋰電池的最高溫度和最低溫度分別達(dá)到44.2℃和41.6℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.6℃，滿足5.0℃的溫差限值要求。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示，仿真溫度與試驗(yàn)的誤差分別為0.9%、1.2%、3.7%，誤差在5%以內(nèi)，說明三維熱仿真結(jié)果符合試驗(yàn)結(jié)果，證明了該模組模型仿真參數(shù)符合試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而證明Bernardi生熱率公式的適用性。電池系統(tǒng)熱仿真可以幫助工程師在新能源汽車動(dòng)力電池包/模組產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行電芯溫度特性地進(jìn)行預(yù)測(cè)以及熱管理方案的優(yōu)化，通過在做電池系統(tǒng)樣件前提前快速評(píng)估電芯溫度特性，不僅能提高動(dòng)力電池包/模組的熱管理性能和安全性，還能降低成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3結(jié)論

本文研究了鋰電池模組在快充場(chǎng)景下的溫度特性，進(jìn)行了1C倍率下的快充試驗(yàn)，并觀察鋰電池溫度的變化規(guī)律。另外，建立了鋰電池模組熱仿真模型，對(duì)于在25.0℃條件下開展了1C快充仿真，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。通過研究結(jié)果得出以下結(jié)論。

（1）在鋰電池1C快充試驗(yàn)過程中，鋰電池的最高溫度也在不斷增大，最高溫度和最低溫度分別達(dá)到43.8℃和41.1℃，溫升分別為18.8℃和16.1℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.7℃，滿足5.0℃溫差限值的要求，從而說明該鋰電池模組可以實(shí)現(xiàn)1C快充。

（2）采用三維熱仿真軟件，開展室溫25.0℃、快充倍率為1C的自然散熱條件下電池仿真，鋰電池模組的最高溫度和最低溫度分別達(dá)到44.2℃和41.6℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.6℃，滿足5.0℃溫差限值的要求。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示，仿真溫度與試驗(yàn)的誤差分別為0.9%、1.2%和3.7%，誤差在5%以內(nèi)，說明三維熱仿真結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）通過仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，證明該模組模型仿真參數(shù)符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而證明Bernardi生熱率公式的適用性。

4結(jié)束語

本文首先通過試驗(yàn)與熱仿真手段研究了鋰電池模組在快充過程中的溫度變化特性。通過試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證，證明了熱仿真在預(yù)測(cè)鋰電池模組快充工況下溫度變化特性的可行性，同時(shí)也證明了Bernardi發(fā)熱率公式的適用性。電池系統(tǒng)熱仿真可以幫助工程師在動(dòng)力電池包/模組產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就開展電芯溫度特性的預(yù)測(cè)以及熱管理方案的優(yōu)化，不僅可以提高動(dòng)力電池包/模組的熱管理性能和安全，還可以降低開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。