電動汽車模塊化動力電池組的低溫預熱分析?

（西南交通大學先進驅動節能技術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，電池組在其行駛時為其提供動力，它在保證車的性能和可靠性方面起著關鍵作用。當鋰電池在環境溫度很低的情況下使用時，其內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。鋰電池在低溫環境下凸顯的問題亟待解決，因此，對鋰電池低溫預熱的研究是十分必要的［1～2］。

目前，鋰電池低溫預熱的方式大體上可以歸結成兩類：內部加熱和外部加熱［3］。內部加熱主要有高/低頻交流電加熱，以及電池內部放電來進行加熱。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，其中電加熱膜加熱在鋰電池低溫預熱方面有著突出的優勢。加熱膜形狀尺寸可按需制作，電壓與功率也可任意設計。其厚度薄，導熱性良好，不加熱時電池散熱不受影響。重量輕，結構簡單，占用空間極小，安裝方便，可粘貼在電池表面［5］。本文針對此前已設計出的模塊化動力電池組，增加低溫預熱功能，采用電加熱膜加熱的方式，來解決電池組在低溫環境下預熱的問題。

2 電池組預熱初步方案

2.1 幾何模型

此前已設計出的模塊化動力電池組已經滿足了良好的散熱功能。該電池組是由216個磷酸鐵鋰單體電池來構建，該單體電池尺寸為205 mm（長）×148 mm（寬）×27 mm（高），標稱容量為76 Ah，標稱電壓為3.2V，內阻0.6 mΩ，持續放電電流為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電池箱內，分別構成三個電池模塊，每個模塊里的單體電池擺放及安裝方式相同，散熱結構也一樣。電池模塊散熱方式為風冷散熱，汽車系統冷風通過分配閥均勻分配給三個模塊。

圖1是電池模塊的三維結構圖，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聚氨酯保溫材料的夾層結構。箱蓋上有8根內徑為Ф90 mm且長度相同的風管，每根管均勻的開有9個小孔，在入風口同一側設有8個出風口。初步預熱方案在箱內底部鋪設電加熱膜，72塊單體電池在電加熱膜上的布局是8列9排。當電加熱膜處于工作狀態時，產生的熱量會通過與其接觸的電池底面傳遞到電池內部（圖2）。

圖1 電池模塊的三維結構

圖2 初步預熱方案示意圖

2.2 傳熱模型

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

式中：QH為加熱元件產生的總熱量（J）；Qb為電池吸收的熱量（J）；Qba為電池與環境的交換熱量（J）；Qha為加熱元件與環境的交換熱量（J）。由于單體電池在預熱時無充放電，這意味著在此期間電池本身不會產生熱量，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、對流和熱輻射這三種形式與外界進行熱交換。電加熱膜在工作狀態下與單體電池底面的接觸，這時主要通過熱傳導進行熱交換，該過程符合傅立葉定律：

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

對流是指流體進行宏觀意義上的流動時，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算，可以表示為［8］

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

在電池低溫預熱時，由熱輻射這一方式來傳遞的熱量很少，仿真計算時可以將其忽略不計。所以文中在對電池預熱過程進行仿真計算時，主要考慮的熱量傳遞方式有兩種：熱傳導和對流［9］。根據前人對電池組熱特性的實驗和研究可以得知［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熱至20℃沒有實質性必要，既不節能也不能在很大程度上提升電池性能，因此，根據山東大學鄧雪蓮［12］以及哈爾濱理工大學胡宸［13］對于電池組低溫預熱系統的研究，將文中電池組的預熱目標溫度設為5℃，且溫差保持在10℃以內。

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熱結構的三維仿真模型，然后使用ANSYS Tran?sient Thermal對該模型進行網格劃分以及求解。由于電池模塊的幾何模型很大，結構左右對稱，且左右兩部分的電池所處的環境條件相同，因此選取左半部分36塊電池作為仿真的幾何模型［14］。經驗證，箱蓋上的風管結構對電池低溫預熱效果產生的影響可以忽略不計。在仿真求解時，設定一些假設條件：1）單體電池材料質地均勻，密度和比熱容保持不變；2）電加熱膜和電池熱輻射影響小，不考慮這一影響［15～16］。此外，假設單體電池的導熱系數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的熱物性參數［17～20］。

表1 介質物性參數

熱分析載荷與邊界條件設定：環境溫度是-15℃，預熱時間是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，因此本文根據實際條件將電池底面熱通量設為0.2W/cm2。

3.2 仿真結果

邊界條件設定完成之后進行求解，得到了初步預熱方案的仿真結果（圖3）。分析仿真結果可以發現，電池的溫度最高可至5℃，最低是-15℃。未達到預熱目標溫度5℃，且溫差為20℃，遠遠超過規定的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。這是因為電池只通過底面和電加熱膜接觸，接觸面積太小，通過熱傳導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果，因此需要進一步優化電池的低溫預熱結構。

圖3 初步預熱方案速度分布圖

4 電池組預熱改進方案及仿真分析

4.1 改進方案

通過對初步預熱方案仿真結果的分析可知，預熱過程中電池與電加熱膜接觸面積太小，熱量傳遞距離遠導致電池預熱效果不好。因此提出改進方案：電加熱膜的位置上由鋪設在箱底改為粘貼在電池兩側面，研究分析改進后的預熱效果，改進后的幾何結構如圖4所示。

圖4 改進預熱方案示意圖

4.2 仿真分析

使用改進預熱方案中的幾何模型進行仿真求解，邊界條件設定為：環境溫度為-15℃，預熱時間為600s，與電加熱膜接觸的電池側面熱通量為0.2W/cm2。圖5是改進預熱方案的仿真結果，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℃。在相同環境條件、預熱時間和熱通量下，與初步方案相比，改進方案的預熱效果提升了許多。

圖5 改進預熱方案速度分布圖

由于最低溫度是14.7℃，高出目標溫度5℃較多，可以推斷，改進方案的預熱時間不需要600s就可以達到預熱目標溫度。繼續對改進方案進行仿真求解，最終發現預熱時間為408s時就可以達到目標溫度，溫差降低至6℃（圖6）。由此可知，改進方案不僅能提升溫度的均勻性，還能縮短預熱時間。

圖6 預熱時間為408s時速度分布圖

4.3 不同環境溫度加熱效果分析

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

圖7 不同環境溫度下預熱時間柱狀圖

圖8 不同環境溫度下溫差變化折線圖

5 結語

1）鋰電池在低溫環境下工作工作時，會導致活性降低，電池壽命縮短。經驗證，本文提出的使用電加熱膜來預熱電池的方案是有效的。在初步方案中，電加熱膜鋪設在箱底，預熱600s后，電池的最低溫度為-15℃，未達到預熱目標溫度，溫度的均勻性差。改進方案中，將電加熱膜粘貼在電池兩側面，增大加熱面積，在408s就能達到預熱目標溫度，縮短了預熱時長，改善了溫度均勻性。

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