純電動車用動力電池系統溫度場特性的數值研究

閆凱 楚金甫 陳西山 古偉鵬 常樂

河南森源重工有限公司 河南省長葛市 461500

1 引言

鋰離子電池在充放電時，伴隨著鋰離子在電池正負極的嵌入和脫嵌以及與電極發生的電化學反應，電池內部會產生熱量，導致電池溫度逐漸升高。溫度對鋰離子電池的容量、內阻和壽命都有重要影響，溫度均勻性決定了電池組的一致性。

計算流體力學（CFD）采用數值方法求解流體控制方程，包括連續性方程、動量方程和能量方程，獲得溫度、速度、壓力等基本物理量在流場內的分布以及隨時間的變化情況。利用CFD技術能夠在很大程度上節省實際實驗設備和人力帶來的巨大產品開發成本。

本文利用CFD軟件對某款電動乘用車動力電池系統進行了熱仿真，得到了電池系統在1C放電工況時溫升和溫度分布情況，并通過Fluke熱成像設備進行實際測試來驗證數值仿真的準確性，為后續電池系統的熱管理提供可靠的理論參考。

2 數值模型

2.1 電池系統概況

圖1所示為某款純電動乘用車動力電池系統模型圖，該電池系統采用三元（NCM）18650電芯；電池系統組合形式為30P87S，前排模組為30P9S，后排模組為30P11S；電池系統放電工作溫度范圍-20-50℃，電池組散熱采用自然冷卻。

2.2 模型簡化

由于本文主要對電池系統溫度場進行仿真分析，僅考慮單體電芯內部導熱以及與周圍空氣之間的熱交換，所以電池系統熱仿真模型中忽略除電芯以外的其它結構部件，電池系統熱仿真模型如圖2所示。

2.3 電池熱物性參數

通過對電芯廠家和實驗測試所獲得的數據進行分析計算，得出單體電芯的熱物性參數如表1所示。

2.4 邊界條件

在1C放電工況下，單體電芯發熱量設置為7236W/m3；將單體電芯與空氣的接觸面定義為流固耦合邊界，實現流體與固體之間的熱量傳遞；電池包內空氣邊界設置自然對流換熱，環境溫度25℃，換熱系數為5W/(m2K)；仿真采用瞬態計算，分析時長3600s，時間步長為10s。

圖1 電池系統模型圖

圖2 電池系統熱仿真模型

表1 單體電芯熱物性參數

3 仿真結果與分析

3.1 單體電芯溫升計算

仿真過程中對單體電芯區域的最高溫度和最低溫度進行了監測，結果如圖3所示。計算結束時，單體電芯最高溫度37.87℃，溫度升高12.87℃；單體電芯最低溫度35.35℃，溫度升高10.35℃；電池系統最大溫差為2.52℃。

3.2 模組溫度場分析

對電池系統中兩種排布形式的模組進行了1C放電工況下的熱仿真分析，仿真結果如圖4和圖5所示。30P9S和30P11S模組1C放電結束時溫升分別約為12.65℃和12.85℃，從截面溫度分布圖中可以看出，位于模組中間位置的單體電芯溫度要高于模組外側的單體電芯；由于空氣的導熱性能很弱，采用自然冷卻時，電池組放電產生的熱量很難傳遞到電池系統外。

3.3 電池系統溫度場分析

電池系統1C放電不同時刻的熱仿真結果和熱成像測試結果如圖6所示。對比分析可知，兩種結果溫度場分布大致相同，溫升數據相差很小，可以驗證仿真結果的準確性。從溫度場分布可以看出，由于后排模組是兩層分布，散熱條件相對較差，模組溫度較前排模組更高；前排模組由于排布一致，溫度場分布大致相同。

圖3 單體電芯最高、最低溫度變化曲線

圖4 30P9S模組溫度場分布

圖5 30P11S模組溫度場分布

4 結語

通過對電池系統1C放電進行熱仿真，得出電池系統后排模組溫度相對較高，前排模組溫度分布大致相同，電芯最大溫升12.87℃，最大溫差2.52℃。通過對比熱仿真和熱成像測試結果，驗證了熱仿真的準確性，仿真結果能夠為后續的熱管理設計提供理論依據。