電動車供電單元的性能分析與仿真研究

滕 飛，朱傳敏 ，楊蒼祿

(同濟大學機械學院，上海200001)

0 引 言

隨著環保意識的提高，使得傳統汽柴油汽車變成了眾矢之的。電動汽車以其在環保和節能上的巨大優勢，成為了解決這一問題的最佳途徑［1］。電動汽車的研究成為國內外企業和學者關注的焦點，越來越受到各界的關注和重視。

目前，在國內各研究機構和企業都開始加大了對電池包研究的投入。一些企業聯合汽車專業比較著名的高校做了大量的技術攻關和樣品制作，在汽車零件優化、標準制定、電子系統的開發等方面都取得了不錯的成績。

在國外，對電動汽車及其相關技術的研究比較早，從1980年開始，對電動汽車動力電池的研究對象分別經歷了鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池，同時對電動汽車動力電池的電化學建模和熱效應模型有一定的研究基礎，在動力電池的熱模型建立上已從動力電池生熱模型的建立到動力電池三維散熱模型的研究，再到動力電池的內部電化學特性分析等［2］。美國再生能源實驗室運用了計算機輔助仿真工具對電池的各種性能進行了研發，針對電池箱整體的實用性取得的重大進展。他們在傳統傳熱模型基礎上，耦合了電池內部化學反應生熱，輻射熱，極化熱等各種生熱可能的反應，進行了綜合性的仿真研究。同時，以美國再生能源實驗室為中心，通用、福特等汽車公司也在加緊對電動車的開發研究［3］。

電池系統的優劣直接關系到車的續航能力、成本和使用便利性等方面，電池系統成為目前電動汽車最大的技術瓶頸，因此，本研究開展電動車供電單元的性能分析和研究具有實際應用價值。

1 性能分析

1．1 電動車供電單元的基本組成和特點

電動汽車供電單元主要為電動汽車提供動力，其核心部件為鋰離子電池包。

鋰電池內部主要包括正極、負極、隔膜、電解質等結構。鋰電池中正極材料、負極材料、電解質以及隔膜的材料和制造工藝的不同會引起電池的性能和價格巨大反差。大部分鋰電池的內部結構為兩邊由鋁箔連接著電池的正、負兩極，電池的正極是由橄欖石結構的LiFePO4 組成，正極與負極由之間是聚合物的隔膜隔開，只有鋰離子Li +可以通過而電子e-不能通過，右邊是由石墨組成的電池負極。電池的上、下端之間是由電池的電解質填充，電解質常常采用有機溶劑。電池的最外層由鋁金屬外殼進行密閉封裝［4］。筆者針對鋰離子電池開展其性能研究。

1．2 電動汽車供電單元鋰離子電池包的熱特性分析

鋰電池在充放電的過程中，以多種不同的方式吸熱和發熱，從而產生電池內部溫度的變化。生熱是主要由反應熱Qr、歐姆內阻的焦耳熱Qj、極化熱Qp和電解質分解的副反應熱Qs4 個部分組成［5］。則鋰電池總的發熱量Ql為四者之和。

由于鋰電池的反應熱Qr不是標量，在充電和放電狀態下的狀態是不同的。充電時為負值，而放電時為正值。電池充電時產生的熱量要小于放電時產生的熱量，電池在充電后的溫度分布比較均勻，很少出現熱失控的情況。鋰電池在整個可逆反應中，正極放出較大的熱量，而負極吸收較小的熱量，電池在充、放電反應過程中，表現為放熱現象。

根據熱力學的相關知識，可以知道鋰電池內部傳熱的方式有3 種:熱傳導，熱對流和熱輻射［6］。這些傳熱方式一般都是復合的形式一起存在的，很少有以單一形式存在的。

動力電池包除了遵守以上熱力學的規律以外，還應該符合能量守恒定律，其可以用方程表示［7］:

式中:Qw—鋰電池通過3 種傳熱方式所產生的總的熱量;Qe—電池通過表面的熱交換過程，對外界釋放出的熱量;Qa—電池自身所吸收的熱量。

這些電池吸收的熱量具體表現為電池溫度的變化ΔT。

對于動力電池內部而言，熱傳導是主要的傳熱方式，熱輻射跟熱對流的影響很小。當電池散熱的熱量大于其內部跟電極產生的熱量時，電池的溫度會保持在一個穩定的狀態，當散熱量小于發熱量時，電池內部的溫度會不斷地積累，導致溫度不斷升高，可能會發生熱失控的情況。因此在不斷發掘新的電池材料的同時，要盡量完善電池包的散熱通風環境。

1．3 鋰電池數學模型的建立

鋰電池內部各單元在散熱過程中遵循能量守恒定律，各電池的熱模型都可以由非穩態的能量守恒方程表示［8］:

式中:q—指鋰電池單位體積的生熱速率;ρk—電池單元體的平均密度;Cp，k—鋰電池單元體的平均比熱容;λk—鋰電池的平均導熱系數;T—電池單元體的溫度。

上式可用于各種電池的熱模型的建立。等式左邊第一項是單位時間內電池單元體熱量的增加量，右邊是電池內部的生熱速率。

由于鋰電池內部的發熱情況相對復雜，為了降低其計算的繁雜性，本研究對鋰電池內部結構進行一些簡化:①鋰電池內部的介質分布是均勻的，熱物性參數是保持不變的。②鋰電池的比熱容和導熱系數是恒定的。③充放電時，電池內部各處的材料密度和生熱速率不變。④同一材料的導熱率處處相等。⑤由于電池內部流動性較差，熱交換熱輻射產生的熱量相對較小，忽略不計［9-10］。

2 仿真研究

為了解電池在實際工作狀態下的發熱情況，本研究將選取電池幾種典型的工作條件，即在0．5 C、1 C、2 C 和3 C 不同的恒倍率放電至截止電壓的下電池的溫度云圖，研究電池的生熱狀態，了解電池在實際工況下的熱特性。

(1)電池的尺寸參數:電池長度:38 mm;寬度:171 mm;高度:327 mm;極柱半徑:6 mm;高度(電池外部):30 mm。

(2)電池的組成材料參數:磷酸鐵鋰動力電池的主要組成材料如表1 所示。

表1 磷酸鐵鋰動力電池的組成材料和材料特性

Fluent 軟件是目前國際上比較流行的商用CFD軟件包，主要用于計算流體流動、傳熱和化學反應的相關問題。它提供的非結構網格生成程序，對相對復雜的幾何結構網格生成非常有效，本研究中的網格化三維模型如圖1 所示。

圖1 單體電池網格圖

2．1 放電倍率對單體電池溫升的影響

本研究設置電池周圍的原始環境溫度為300 K，同時在電池的正負極以及內核發熱源處添加相應的生熱率(詳細數據如表1 所示)。忽略電池向外的輻射熱量，可以得到不同倍率下的電池的溫度分布云圖，如圖2、圖3 所示。

圖2 鋰電池在0．5 C 和1 C 倍率下的溫升云圖

圖3 鋰電池在2 C 和3 C 倍率下的溫升云圖

本研究通過分析比較鋰電池不同放電倍率下的溫度云圖，得出電池的溫升結果如表2 所示。

從溫升結果來看，在初始溫度相同的情況下，電池組的溫升主要與充放電的倍率有關，充、放電倍率越大，流過電池的電流越大，溫升越明顯。這主要是因為電池的生熱速率與通過電池的電流的平方成正比，所以充放電倍率越大，電池的生熱率越大，放電至截止電壓的時間越快，電池的溫升量越大。

通過對單體電池進行的仿真結果，可以看出隨著充放電倍率的增大，單體電池的溫差從最初的3 K 變大到了20 K，并且變化速率越來越大。由此可知，在放電倍率越大下的單體電池溫度的不均衡現象越嚴重。

2．2 溫度對1 C 放電倍率單體電池溫升的影響

本研究設置電池放電倍率為1 C，同時改變電池周圍原始環境的溫度。忽略電池向外的輻射熱量，可以得到相同倍率下的電池的溫度分布云圖。不同溫度下1 C 放電倍率時電池的分布云圖如圖4、圖5 所示。

圖4 30 ℃和35 ℃下1 C 電池的溫升云圖

圖5 40 ℃和45 ℃下1 C 電池的溫升云圖

通過分析比較鋰電池不同溫度1 C 相同放電倍率下的溫度云圖，得出電池的溫升結果如表3 所示。

表3 動力電池不同溫度下1 C 放電倍率的溫度差值表

從溫升來看，在放電倍率相同的情況下，電池組的溫升主要與電池所處的環境溫度有關。在初始溫度越高的環境下，溫升越明顯。這主要是因為電池表面的散熱速率與外界溫度有著直接關系，熱對流與熱傳導的速率是由溫差決定的，溫差越大，散熱效率越高。而且可以從表3 中看出，電池某些溫度較低的地方已經趨于環境溫度，幾乎熱量傳不出去，導致電池本身溫度上升。

通過對單體電池進行的仿真結果，可以看出隨著初始溫度的增高，單體電池的溫差從最初的6．2 K 上升到了7．5 K，并且變化速率越來越大。由此可知，在初始溫度越高的環境下，相同放電倍率的單體電池溫度的不均衡現象越嚴重。

3 結束語

本研究以磷酸鐵鋰電池作為仿真的對象，通過了解分析其生熱發熱機制，利用Fluent 建立與其相對應的發熱散熱模型。

研究結論如下:

(1)電池組的溫升主要與充放電的倍率有關，且充放電倍率越大，單體電池溫度越不均衡;

(2)電池組的溫升主要與電池所處的環境溫度有關，且初始溫度越高，相同放電倍率的單體電池溫度越不均衡。

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