電動汽車模塊化動力電池組的低溫預(yù)熱分析?

（西南交通大學(xué)先進(jìn)驅(qū)動節(jié)能技術(shù)教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

作為新能源電動汽車的動力來源，電池組在其行駛時(shí)為其提供動力，它在保證車的性能和可靠性方面起著關(guān)鍵作用。當(dāng)鋰電池在環(huán)境溫度很低的情況下使用時(shí)，其內(nèi)部的電解液粘度增大，活性也有所降低，電池自身的容量會減小，電池壽命縮短，最終導(dǎo)致整車性能衰減，極端低溫下車輛無法啟動。鋰電池在低溫環(huán)境下凸顯的問題亟待解決，因此，對鋰電池低溫預(yù)熱的研究是十分必要的［1～2］。

目前，鋰電池低溫預(yù)熱的方式大體上可以歸結(jié)成兩類：內(nèi)部加熱和外部加熱［3］。內(nèi)部加熱主要有高/低頻交流電加熱，以及電池內(nèi)部放電來進(jìn)行加熱。外部加熱主要有電加熱膜加熱、熱管加熱、液體加熱、PTC加熱等方法［4］。這些方式各有特點(diǎn)，其中電加熱膜加熱在鋰電池低溫預(yù)熱方面有著突出的優(yōu)勢。加熱膜形狀尺寸可按需制作，電壓與功率也可任意設(shè)計(jì)。其厚度薄，導(dǎo)熱性良好，不加熱時(shí)電池散熱不受影響。重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，占用空間極小，安裝方便，可粘貼在電池表面［5］。本文針對此前已設(shè)計(jì)出的模塊化動力電池組，增加低溫預(yù)熱功能，采用電加熱膜加熱的方式，來解決電池組在低溫環(huán)境下預(yù)熱的問題。

2 電池組預(yù)熱初步方案

2.1 幾何模型

此前已設(shè)計(jì)出的模塊化動力電池組已經(jīng)滿足了良好的散熱功能。該電池組是由216個(gè)磷酸鐵鋰單體電池來構(gòu)建，該單體電池尺寸為205 mm（長）×148 mm（寬）×27 mm（高），標(biāo)稱容量為76 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2V，內(nèi)阻0.6 mΩ，持續(xù)放電電流為1C，放電電流為100A，重量為1.65 kg。這些單體電池被平均布置在三個(gè)電池箱內(nèi)，分別構(gòu)成三個(gè)電池模塊，每個(gè)模塊里的單體電池?cái)[放及安裝方式相同，散熱結(jié)構(gòu)也一樣。電池模塊散熱方式為風(fēng)冷散熱，汽車系統(tǒng)冷風(fēng)通過分配閥均勻分配給三個(gè)模塊。

圖1是電池模塊的三維結(jié)構(gòu)圖，模塊長寬高分別是1367 mm×546 mm×300 mm，重量約120 kg。箱蓋和箱體壁面為夾層是硬質(zhì)聚氨酯保溫材料的夾層結(jié)構(gòu)。箱蓋上有8根內(nèi)徑為Ф90 mm且長度相同的風(fēng)管，每根管均勻的開有9個(gè)小孔，在入風(fēng)口同一側(cè)設(shè)有8個(gè)出風(fēng)口。初步預(yù)熱方案在箱內(nèi)底部鋪設(shè)電加熱膜，72塊單體電池在電加熱膜上的布局是8列9排。當(dāng)電加熱膜處于工作狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的熱量會通過與其接觸的電池底面?zhèn)鬟f到電池內(nèi)部（圖2）。

圖1 電池模塊的三維結(jié)構(gòu)

圖2 初步預(yù)熱方案示意圖

2.2 傳熱模型

為了對加熱膜加熱這種方式進(jìn)行低溫預(yù)熱分析，需要建立低溫預(yù)熱數(shù)學(xué)模型。由于電池在低溫預(yù)熱過程中不進(jìn)行充電和放電，所以電池的預(yù)熱過程符合如式（1）所示的熱平衡方程［6～7］：

式中：QH為加熱元件產(chǎn)生的總熱量（J）；Qb為電池吸收的熱量（J）；Qba為電池與環(huán)境的交換熱量（J）；Qha為加熱元件與環(huán)境的交換熱量（J）。由于單體電池在預(yù)熱時(shí)無充放電，這意味著在此期間電池本身不會產(chǎn)生熱量，其吸收的熱量是來源于電加熱膜，因此，單體電池吸收的熱量可以用如下的方程表示：

式中：mi為i號電池單體質(zhì)量（g）；Cpi為i號電池單體比熱容（J·g-1·K-1）；ΔTi為i號電池單體平均溫度變化。

單體電池通過熱傳導(dǎo)、對流和熱輻射這三種形式與外界進(jìn)行熱交換。電加熱膜在工作狀態(tài)下與單體電池底面的接觸，這時(shí)主要通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱交換，該過程符合傅立葉定律：

式中為熱流密度矢量（W/m-2）；λ為導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；grad（t）為空間某點(diǎn)的溫度梯度；為該點(diǎn)的等溫線上的法向量。

對流是指流體進(jìn)行宏觀意義上的流動時(shí)，其各部分會存在相對位移，冷流體和熱流體相互摻在一起，熱量在這此期間會被傳遞的行為。熱對流通常采用牛頓公式來計(jì)算，可以表示為［8］

式中：Φ為熱流量（W）；h為傳熱系數(shù)（W/m2·K）；A為面積（m2）；Tw為壁面溫度（K）；Tf為流體溫度（K）。

在電池低溫預(yù)熱時(shí)，由熱輻射這一方式來傳遞的熱量很少，仿真計(jì)算時(shí)可以將其忽略不計(jì)。所以文中在對電池預(yù)熱過程進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，主要考慮的熱量傳遞方式有兩種：熱傳導(dǎo)和對流［9］。根據(jù)前人對電池組熱特性的實(shí)驗(yàn)和研究可以得知［10～11］，磷酸鐵鋰電池的理想工作溫度為20℃～35℃。但在低溫下將電池組的溫度預(yù)熱至20℃沒有實(shí)質(zhì)性必要，既不節(jié)能也不能在很大程度上提升電池性能，因此，根據(jù)山東大學(xué)鄧雪蓮［12］以及哈爾濱理工大學(xué)胡宸［13］對于電池組低溫預(yù)熱系統(tǒng)的研究，將文中電池組的預(yù)熱目標(biāo)溫度設(shè)為5℃，且溫差保持在10℃以內(nèi)。

3 初步方案的有限元仿真分析

3.1 初始條件

首先使用SolidWorks來建立電池模塊初步預(yù)熱結(jié)構(gòu)的三維仿真模型，然后使用ANSYS Tran?sient Thermal對該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分以及求解。由于電池模塊的幾何模型很大，結(jié)構(gòu)左右對稱，且左右兩部分的電池所處的環(huán)境條件相同，因此選取左半部分36塊電池作為仿真的幾何模型［14］。經(jīng)驗(yàn)證，箱蓋上的風(fēng)管結(jié)構(gòu)對電池低溫預(yù)熱效果產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。在仿真求解時(shí)，設(shè)定一些假設(shè)條件：1）單體電池材料質(zhì)地均勻，密度和比熱容保持不變；2）電加熱膜和電池?zé)彷椛溆绊懶。豢紤]這一影響［15～16］。此外，假設(shè)單體電池的導(dǎo)熱系數(shù)在相同的方向上是相等的，不會被溫度所影響。表1中列出的是單體電池、電熱膜和空氣這三種介質(zhì)的熱物性參數(shù)［17～20］。

表1 介質(zhì)物性參數(shù)

熱分析載荷與邊界條件設(shè)定：環(huán)境溫度是-15℃，預(yù)熱時(shí)間是600s，空氣與電池表面是對流。由于廠商推薦的的鋰電池加熱膜功率密度范圍是0.1-0.4W/cm2，因此本文根據(jù)實(shí)際條件將電池底面熱通量設(shè)為0.2W/cm2。

3.2 仿真結(jié)果

邊界條件設(shè)定完成之后進(jìn)行求解，得到了初步預(yù)熱方案的仿真結(jié)果（圖3）。分析仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，電池的溫度最高可至5℃，最低是-15℃。未達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度5℃，且溫差為20℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)定的10℃。電池上半部分的溫度最低，距離電加熱膜較近的下半部分溫度較高。這是因?yàn)殡姵刂煌ㄟ^底面和電加熱膜接觸，接觸面積太小，通過熱傳導(dǎo)傳遞給電池的熱量太少，此外，電池高度大，熱量傳遞到電池上端的速度太慢，電池上半部分幾乎沒有熱量傳入，造成了電池上下兩端溫差過大的結(jié)果，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化電池的低溫預(yù)熱結(jié)構(gòu)。

圖3 初步預(yù)熱方案速度分布圖

4 電池組預(yù)熱改進(jìn)方案及仿真分析

4.1 改進(jìn)方案

通過對初步預(yù)熱方案仿真結(jié)果的分析可知，預(yù)熱過程中電池與電加熱膜接觸面積太小，熱量傳遞距離遠(yuǎn)導(dǎo)致電池預(yù)熱效果不好。因此提出改進(jìn)方案：電加熱膜的位置上由鋪設(shè)在箱底改為粘貼在電池兩側(cè)面，研究分析改進(jìn)后的預(yù)熱效果，改進(jìn)后的幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)預(yù)熱方案示意圖

4.2 仿真分析

使用改進(jìn)預(yù)熱方案中的幾何模型進(jìn)行仿真求解，邊界條件設(shè)定為：環(huán)境溫度為-15℃，預(yù)熱時(shí)間為600s，與電加熱膜接觸的電池側(cè)面熱通量為0.2W/cm2。圖5是改進(jìn)預(yù)熱方案的仿真結(jié)果，分析該圖可以得知，電池的溫度最高可至22.7℃，最低是14.7℃，溫差8℃。在相同環(huán)境條件、預(yù)熱時(shí)間和熱通量下，與初步方案相比，改進(jìn)方案的預(yù)熱效果提升了許多。

圖5 改進(jìn)預(yù)熱方案速度分布圖

由于最低溫度是14.7℃，高出目標(biāo)溫度5℃較多，可以推斷，改進(jìn)方案的預(yù)熱時(shí)間不需要600s就可以達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度。繼續(xù)對改進(jìn)方案進(jìn)行仿真求解，最終發(fā)現(xiàn)預(yù)熱時(shí)間為408s時(shí)就可以達(dá)到目標(biāo)溫度，溫差降低至6℃（圖6）。由此可知，改進(jìn)方案不僅能提升溫度的均勻性，還能縮短預(yù)熱時(shí)間。

圖6 預(yù)熱時(shí)間為408s時(shí)速度分布圖

4.3 不同環(huán)境溫度加熱效果分析

在實(shí)際情況中，電池會面臨各種低溫環(huán)境，為了對改進(jìn)方案的預(yù)熱效果進(jìn)行更全面的研究，增加了對環(huán)境溫度分別為-20℃、-10℃、-5℃時(shí)的預(yù)熱效果的分析。通過大量的仿真計(jì)算，得到了電池在不同環(huán)境溫度下預(yù)熱至目標(biāo)溫度所需的時(shí)間（圖7）。分析該圖可知，電池在環(huán)境溫度為-20℃、-15℃、-10℃、-5℃時(shí)，預(yù)熱至目標(biāo)溫度所需時(shí)間分別為 507s、408s、311s、215s。即環(huán)境溫度越高，達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度所需時(shí)間越少。因此，面對或高或低的環(huán)境溫度，使用時(shí)應(yīng)該靈活地調(diào)整電池預(yù)熱時(shí)間，減少不必要的功耗。圖8反映的是不同環(huán)境溫度下溫差的變化情況，分析該圖可知，預(yù)熱時(shí)間在600 s內(nèi)的情況下，在這四種溫度下，溫差隨預(yù)熱時(shí)間變化的趨勢幾乎相同，都是隨著預(yù)熱時(shí)間的增大而增大。表明了在一定的時(shí)間內(nèi)，預(yù)熱時(shí)間縮短對提高溫度均勻性是有利的。

圖7 不同環(huán)境溫度下預(yù)熱時(shí)間柱狀圖

圖8 不同環(huán)境溫度下溫差變化折線圖

5 結(jié)語

1）鋰電池在低溫環(huán)境下工作工作時(shí)，會導(dǎo)致活性降低，電池壽命縮短。經(jīng)驗(yàn)證，本文提出的使用電加熱膜來預(yù)熱電池的方案是有效的。在初步方案中，電加熱膜鋪設(shè)在箱底，預(yù)熱600s后，電池的最低溫度為-15℃，未達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度，溫度的均勻性差。改進(jìn)方案中，將電加熱膜粘貼在電池兩側(cè)面，增大加熱面積，在408s就能達(dá)到預(yù)熱目標(biāo)溫度，縮短了預(yù)熱時(shí)長，改善了溫度均勻性。

2）在一定的預(yù)熱時(shí)間范圍內(nèi)，不同環(huán)境溫度下電池溫差隨加熱時(shí)間變化的趨勢幾乎相同，都是隨預(yù)熱時(shí)間的增大而增大。說明僅延長預(yù)熱時(shí)間不能有效改善溫度均勻性。此外，電池所處的環(huán)境溫度越高，預(yù)熱至目標(biāo)溫度所需時(shí)間越短。應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度合理調(diào)整預(yù)熱時(shí)間，避免預(yù)熱時(shí)間及能源的浪費(fèi)。