電動汽車電池組熱特性研究

張留銘，黃培龍，張振裕，丘裕峰，賈錳，錢宇晨

(華南理工大學廣州學院汽車與交通工程學院，廣東廣州 510800)

0 引言

近年來，以石油、煤炭和天然氣為主的石化能源出現了前所未有的危機，除其儲藏量不斷減少外，更嚴重的是科學研究發現，石化能源在使用后產生的二氧化碳氣體作為溫室效應氣體排放到大氣中后，人為地導致了全球變暖，引發了人們對未來社會發展動力來源的廣泛關注和思考。當前，隨著電動汽車相關技術的研究與推廣應用，動力電池、驅動電機和電控技術都取得了突破，純電動汽車品質明顯提升，使消費者的目光從燃油車開始轉向純電動汽車。鋰離子電池作為電動汽車的核心部件，具有功率密度高、電壓高、自放電小、高低溫適應性強循環壽命長等諸多優點[1]。然而，高溫對電池的充放電性能、儲能能力、壽命等特性有很大的影響。因此，需研究電池組放電時產生的熱量，并進行分析，在充放電過程中，鋰離子電池會釋放大量熱量造成工作環境溫度升高，較高的溫度條件會導致電池的工作性能顯著下降，加速電池老化，降低電池壽命[2]。本文作者通過分析鋰電池的溫度特性，針對鋰電池生熱問題進行分析和計算，對于鋰電池在不同放電時間的溫度變化，利用該模型模擬仿真鋰電池放電過程中表面溫度及釋放熱量，討論了電池熱特性[3]。

1 建模與仿真分析

1.1 數學建模

文中的研究對象是圓柱形鋰離子電池，為了方便計算，令電池內部活性材料分布均勻、產熱分布均勻、物質材料特性各向同性，基于單體圓柱形鋰離子電池在充放電過程的熱特性建立數學模型，該電池的熱量控制方程可表示為：

式中:ρ為平均密度；T為電池溫度;kT為導熱系數；t為時間；q為電池單位體積生熱速率；冷卻空氣u、v、w沿x、y、z方向的速度。

電池生熱速率計算公式為：

式中:U0為電池開路電壓；U為工作電壓；I為電流；V為電池體積。

1.2 建模驗證

選取特斯拉所用的電池單體鋰電池進行充放電實驗，并繪制電池溫度變化曲線圖，針對數學模型仿真前設置好相應的關鍵參數，分別為直徑為18 mm、高度為65 mm，直徑為21 mm、高度為70 mm，直徑為46 mm、高度為80 mm。仿真結果如圖1所示。

圖1 仿真結果

1.3 動力電池結構方案確定

電動汽車動力電池組中，在布置方式相鄰兩個單體間的間距相同條件下，相鄰兩單體間的布置方式與間隙如圖2所示。

圖2 相鄰兩單體間的布置方式與間隙

單體的高度、直徑對電池熱管理的特性會產生重要影響。選取4組不同5×4方式鋰電池，即每組電池組共5排，每排4個單體，分別設計并研究了不同組中單個電池直徑、高度大小不同的方案。

高度不同、直徑不同下的電池溫度曲線的圖。即18650、21700、46800這3種電池型號下的電池溫度曲線圖的研究分析比較。

1.4 計算結果分析

分別建立18650、21700、46800這3種型號的電池組模型，進行網格劃分后，設置環境溫度為25 ℃，電池能量為4 A·h,電池組體積為0.42×10-3m3,研究不同型號電池組的溫度曲線,如圖3所示。

圖3 不同型號電池組的溫度曲線

由分析得出18650電池型號最高溫度53.167 5 ℃,電池平均溫度為34.529 4 ℃。21700電池型號最高溫度43.079 2 ℃,電池平均溫度為30.060 6 ℃。46800電池型號最高溫度24.419 6 ℃,電池平均溫度為21.920 1 ℃。其中18650型號電池最高溫度最高。46800型號電池最高溫度最低。其中18650型號電池平均溫度最高。46800型號電池平均溫度最低。由圖可知46800型號電池產生的熱量最少，其直徑、高度都是這3種電池型號最大。

2 結論

圓柱形鋰離子動力電池組在正常工作時產生很多熱量影響電池使用性能，電池的高度、直徑對電池的散熱特性有重要影響，文中針對該問題進行了以下研究：

(1)建立了電池熱力學數學模型，分別以18650(直徑18 mm、高65 mm)、21700(直徑21 mm、高70 mm)、46800(直徑46 mm、高80 mm)這3種電池型號進行研究分析。

(2)以COMSOL為仿真平臺，分析了3種電池在正常工作時的表明溫度云圖，研究了3種電池在正常工作時的平均溫度及最高溫度，根據溫度的變化情況繪制出了電池溫度隨時間變化的曲線圖。

通過對比COMSOL仿真平臺得出的3種電池組在正常工作中溫度變化數據得出結論：在3種型號的電池組中，46800型號電池組電池表面溫度較為均勻、平均溫度最低、最高溫度也最低，散熱性較好。