鋰電池模組快充工況下溫度特性分析與仿真驗證

關鍵詞：新能源汽車；鋰電池模組；快充；熱仿真；溫度場；試驗驗證

0引言

鋰電池系統是電動汽車的關鍵零部件，其在工作過程中會產生大量的熱量，如果不能及時有效地進行散熱，就會導致電池溫度過高，進而影響電池的性能、壽命和安全[1]。鋰離子電芯的最佳工作溫度范圍一般在15.0～45.0℃，動力電池組溫度過高時，電池性能會發生衰退，當溫度達到45.0℃時，電池極化內阻開始急劇增加；當電池組溫度超過50.0℃時，電池內部反應加劇，電池放電功率明顯下降；當溫度超過90.0℃后，由于負極表面的SEI膜開始溶解，電池容易發生短路，此時溫度會急劇上升，進一步將引發熱失控，發生爆炸等安全事故。據統計，動力電池自身溫度最好在45.0℃以下，最高不要超過50.0℃[2-3]。此外電芯之間的溫度差應小于5.0℃，保證每個電池的溫度大致相同，不會出現單個電池高溫導致該電芯快速老化。因此，在各工況下，控制電池組溫度的穩定性及單體電池之間溫差的穩定性至關重要。

電池系統熱仿真可以幫助工程師在產品設計階段就進行熱管理方案的優化。通過計算機建模和仿真分析，可以在電池系統樣件做出來之前快速評估電芯溫度變化特性。因此電池系統熱仿真是研究鋰電池充放電過程中溫度變化特性的一種快速又節省成本的有效方法。

Bernardi等[4]提出了電芯發熱的一般能量平衡公式。OmerKalaf對電動車的熱管理系統的仿真和試驗進行了詳細綜述[5]，介紹了不同方案的冷卻系統。李勝輝等、周慶輝等[6-7]也通過CFD流體仿真軟件建立電芯、模組熱仿真模型，開展了溫度特性研究。聶磊[8]等研究動力電池在快充過程中發熱量大的問題，提出了一種冷媒直冷電池熱管理系統，利用制冷劑在流道內的相變潛熱吸收動力電池的熱負荷，電池冷板表面平均溫度可控制在15.0～20.0℃的最佳溫度區間內，并達到溫差小于4.0℃的良好均溫性。NanchangDai[9]等研究了基于制冷劑直接冷卻的快速充電電池熱管理系統，構建電池發熱模型和熱管理系統的仿真模型，并建立了試驗裝置。通過理論模擬和試驗研究，包括在低溫和高溫快充條件下的測試。研究結果表明，設計的熱管理系統具有良好的冷卻效果和溫度均勻性。

鋰電池技術的分類主要依據其正極材料的種類，包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池以及新興的鈉離子電池等。磷酸鐵鋰電池以其出色的熱穩定性和安全性特點，在乘用車、商用車、儲能等安全性要求較高的應用場景中占有一席之地。本文研究對象為某個磷酸鐵鋰電芯組成的動力電池包模組，開展快充場景下的熱管理特性研究，針對1C倍率下的快充測試，記錄電芯溫度特性，為后續對比分析熱仿真結果提供依據。通過三維仿真軟件建立鋰電池模組的三維熱仿真模型，在室溫條件下開展熱仿真，并與試驗結果進行對比分析，說明該模組在1C快充的可行性，證明了Bernardi發熱率公式的適用性。

1鋰電池模組快充試驗

試驗選用的是磷酸鐵鋰電芯67A·h組成的鋰電池模組，單節67A·h電芯的寬、厚、高尺寸為（100×43×145）mm，總共有16節方形電芯分兩排組成，連接方式為“2P8S”，通過打包帶和兩端的金屬端板組裝成一個穩定的模組結構。對鋰電池模組開展1C倍率下的快充試驗，以觀察電芯溫升變化特性。動力鋰電池模組實物和溫度傳感器（以下簡稱溫感）1～8號的布置位置如圖1所示。

1.1試驗設備

充放電設備為RePowerTechnologyCo.，Ltd生產的測試系統。試驗中的測溫選用BMS自帶的溫感測量系統，并將數據同步到充放電測試柜中，顯示的是鋰電池模組溫感表面溫度，試驗結束后可以處理輸出的溫度數據。

1.2試驗方案

在本快充試驗中，將快充倍率設置為1C，室溫25.0℃，自然散熱，具體的試驗流程如下。

（1）將模組靜置10s。

（2）對模組做恒流快充，快充倍率為1C（134A），持續1.0h。

（3）將快充后的鋰電池靜置0.5h。

1.3試驗數據整理

利用試驗中BMS記錄的溫度數據，同步到充放電測試柜中，試驗結束后將輸出的溫度數據導出來。然后找出不同位置溫感溫度的最大值，得到如下不同位置溫感的溫度數值表。從表1可以看出，分析發現：隨著快充過程的進行，鋰電池在快充過程中的溫度數值顯著增大，最高溫度和最低溫度分別達到43.8℃和41.1℃，溫升分別為18.8℃和16.1℃。電芯一般15.0～45.0℃范圍是性能最佳，超過45.0℃以后性能會有所下降，并且為了防止電芯熱失控一般會進行降流和溫度保護處理。該快充試驗末端電芯的溫度并未超過45.0℃溫度上限值，溫差為2.7℃，滿足5.0℃溫差限值的要求。上述結果說明該鋰電池模組可以實現1C快充。

2熱仿真

鋰電池除了做功和儲存能量外，在充電和放電過程中還會產生熱量。這些熱量一部分被電池本身的材料吸收，從而提高了電池的溫度。它從電池內部移動到電池外部，并通過被空氣或其他介質吸收而去除。鋰電池模組內部熱量傳遞方式主要是熱傳導[10]。本文采用三維CFD熱仿真模擬軟件開展鋰電池模組熱仿真，先是開展發熱功率的公式選取及計算、熱仿真模型的簡化以及網格劃分、邊界條件設置和求解設置，然后是求解計算、結果輸出與分析。

2.1發熱功率計算公式

鋰離子電池由正負電極、膜片、電解液、液集等組成，電池熱管理系統設計與仿真的關鍵是準確計算電芯的發熱功率。電池的發熱功率受諸多因素的影響，如電流密度、有機碳和環境溫度。由于電池發熱功率并非線性，直接測量比較困難。目前，單體鋰離子電池的生熱現象成為科研人員的研究熱點。鋰電池的發熱功率有多種計算方法，關于電池電化學－熱特性的研究，通常需要構建模型求解，其中主要有一維模型和多維模型等，比較復雜。

Bernardi的數學模型被廣泛應用于計算電池的產熱率。該數學模型對鋰離子單體電芯做了簡化假設：電芯內部產熱均勻，內部材料均勻，密度一致，荷電狀態和溫度的變化不會影響材料熱物性參數，不考慮對流換熱和輻射散熱對電池的影響，發熱功率計算公式為：

2.2熱仿真模型

本文利用三維熱仿真軟件對模組開展仿真。對簡化數模劃分網格，由于匯流排的幾何模型形狀比較復雜，建議采用多面體網格；多面體網格的單元數量相比四面體網格可減少30%以上，從而顯著降低計算用時，同時多面體網格具有更好的計算收斂性。劃分出的多面體網格總數量1311281，FACEVALIDITY最小值＞0.95，體積變化率＞0.01，滿足網格質量要求。

2.3鋰電池模組溫度場仿真

在快充工況下，設置鋰電池的初始溫度為25.0℃，快充倍率為1C，通過Bernardi生熱率公式計算出單電芯產熱功率為7.394W。鋰電池模型網格劃分完成后，軟件里面加載發熱功率，開展快充階段的熱仿真。1C恒流快充結束時鋰電池的溫度場分布情況如圖2所示。

鋰電池的最高溫度和最低溫度分別達到44.2℃和41.6℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.6℃，滿足5.0℃的溫差限值要求。試驗結果對比如表2所示，仿真溫度與試驗的誤差分別為0.9%、1.2%、3.7%，誤差在5%以內，說明三維熱仿真結果符合試驗結果，證明了該模組模型仿真參數符合試驗結果，進而證明Bernardi生熱率公式的適用性。電池系統熱仿真可以幫助工程師在新能源汽車動力電池包/模組產品設計階段進行電芯溫度特性地進行預測以及熱管理方案的優化，通過在做電池系統樣件前提前快速評估電芯溫度特性，不僅能提高動力電池包/模組的熱管理性能和安全性，還能降低成本，縮短產品開發周期。

3結論

本文研究了鋰電池模組在快充場景下的溫度特性，進行了1C倍率下的快充試驗，并觀察鋰電池溫度的變化規律。另外，建立了鋰電池模組熱仿真模型，對于在25.0℃條件下開展了1C快充仿真，并與試驗結果進行了對比分析。通過研究結果得出以下結論。

（1）在鋰電池1C快充試驗過程中，鋰電池的最高溫度也在不斷增大，最高溫度和最低溫度分別達到43.8℃和41.1℃，溫升分別為18.8℃和16.1℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.7℃，滿足5.0℃溫差限值的要求，從而說明該鋰電池模組可以實現1C快充。

（2）采用三維熱仿真軟件，開展室溫25.0℃、快充倍率為1C的自然散熱條件下電池仿真，鋰電池模組的最高溫度和最低溫度分別達到44.2℃和41.6℃，滿足低于最佳溫度上限45.0℃的要求；溫差為2.6℃，滿足5.0℃溫差限值的要求。與試驗結果對比如表2所示，仿真溫度與試驗的誤差分別為0.9%、1.2%和3.7%，誤差在5%以內，說明三維熱仿真結果符合實驗結果。

（3）通過仿真結果和試驗結果的對比分析，證明該模組模型仿真參數符合實驗結果，進而證明Bernardi生熱率公式的適用性。

4結束語

本文首先通過試驗與熱仿真手段研究了鋰電池模組在快充過程中的溫度變化特性。通過試驗結果的驗證，證明了熱仿真在預測鋰電池模組快充工況下溫度變化特性的可行性，同時也證明了Bernardi發熱率公式的適用性。電池系統熱仿真可以幫助工程師在動力電池包/模組產品設計階段就開展電芯溫度特性的預測以及熱管理方案的優化，不僅可以提高動力電池包/模組的熱管理性能和安全，還可以降低開發成本，縮短產品開發周期。