李軍求, 吳樸恩, 張承寧

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

2016004

電動汽車動力電池熱管理技術(shù)的研究與實現(xiàn)*

李軍求1, 吳樸恩1, 張承寧1

(北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

為改善電動汽車輛動力電池的性能，尤其是高低溫適應(yīng)性，基于電池性能模型提出了電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計流程，實驗分析了鋰離子電池溫升、低溫性能和電池性能模型的適應(yīng)性，運用電池熱電耦合和熱傳導理論提出了電池熱分析建模方法，并應(yīng)用于PTC加熱和強制風冷的電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計，仿真得到了電池生熱、散熱和加熱的電池溫度特性及影響規(guī)律，最后通過實驗驗證了建模方法的正確性和熱管理系統(tǒng)的有效性。

電動汽車；鋰離子電池；電池熱管理；生熱模型

前言

動力電池作為電動汽車主要儲能形式，其性能的發(fā)揮直接制約了電動汽車動力性、經(jīng)濟性和安全性。鋰離子電池相比其他類型電池，在能量密度、功率密度和使用壽命等方面具有較強優(yōu)勢，成為目前車用動力電池的主流，但其性能、壽命和安全性均與環(huán)境溫度密切相關(guān)。溫度過高，會加快電池副反應(yīng)的進行和性能的衰減，甚至引發(fā)安全事故；溫度過低，電池釋放的功率和容量會顯著降低，甚至引起電池容量不可逆衰減，并埋下安全隱患。因此，鋰離子電池對溫度的適應(yīng)性成為制約其在電動汽車應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一，同時也使電池熱管理技術(shù)成為保證電池性能、使用壽命和安全性的關(guān)鍵技術(shù)。本文中開展了電池熱管理設(shè)計流程和電池熱分析建模方法的研究，用于指導強制風冷和PTC加熱的電池熱管理方案設(shè)計，并通過仿真與實驗，對電池熱分析模型正確性和熱管理方案有效性進行了驗證。

1 電池熱管理設(shè)計流程和仿真方法

在電池熱管理設(shè)計方面，美國國家可再生能源實驗室做了大量研究[1]。本文中在其基礎(chǔ)上將電池性能模型和熱分析模型結(jié)合，采用仿真與實驗手段，得到的熱管理設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 電池熱管理設(shè)計流程

電池熱管理設(shè)計理論基礎(chǔ)是電池性能模型和電池熱分析模型。電池性能模型可模擬電池工況特征，獲得電池熱模型的輸入；電池熱分析模型可獲得電池組溫度分布特征，評估電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計的合理性。在電池熱管理仿真分析過程中，常采用有限元分析軟件，進行幾何形狀構(gòu)建、邊界定義、網(wǎng)格生成和求解器求解[2]，方法如圖2所示。

圖2 電池熱分析仿真方法

2 鋰電池溫度適應(yīng)性與性能模型

鋰離子電池低溫環(huán)境下放電倍率和可釋放的容量顯著降低，而大倍率放電時溫升較大，是其溫度適用性面臨的主要問題。以某型35A·h鋁塑膜鋰離子電池為研究對象，實驗分析電池溫升特性和低溫性能，并進行電池性能模型適應(yīng)性研究。

2.1 鋰離子電池不同充放電倍率溫度特性

將電池置于常溫下，充滿電后采用不同倍率持續(xù)放電，可得溫升曲線，如圖3所示；電池放空后以不同倍率進行恒流-恒壓充電，可得溫升曲線，如圖4所示[3-4]。

實驗表明,鋰離子電池不論充電還是放電，溫升伴隨倍率的增大而增大，4C放電時，電池溫升可達17℃，4C充電時溫升可達14℃，因此，高溫環(huán)境下大倍率充放電時更須散熱。

圖3不同倍率放電電池單體平均溫升曲線

圖4 不同倍率充電電池單體平均溫升曲線

2.2 鋰離子電池低溫環(huán)境下充放電性能

將電池放置在恒溫箱中用于模擬電池不同環(huán)境溫度，靜止8h后，以不同倍率進行充放電，圖5和圖6為電池2C充放電時，不同溫度下電池的電壓-容量特性[3-4]。

圖5 不同溫度2C放電電池特性

圖6 不同溫度2C充電電池特性

實驗表明,電池充放電倍率、電壓平臺和放電容量伴隨溫度降低而降低，例如-30℃不能實現(xiàn)2C放電，-20℃時容量減少20%，充電表現(xiàn)更為明顯，0℃才能2C充電，僅能達到50%容量，因此0℃以下時，電池須加熱才能提升其性能。

2.3 鋰離子電池性能模型

電池性能模型可模擬不同充放電工況下電池電壓、電流特性，常用模型有Rint，Thevenin，PNGV和DP等[3]，其中DP模型如圖7所示。

圖7 電池DP等效電路模型

通過自定義復合脈沖工況對模型進行驗證，結(jié)果見圖8，表明隨著放電電流增大，電池性能模型的精度均有不同程度下降，其中DP模型相對于其他模型具有較高精度，最終確定采用DP模型模擬電池熱分析模型的輸入。

圖8 SOC=50%復合脈沖仿真與實驗

3 鋰離子電池熱分析建模

電池熱分析模型主要分析不同邊界條件下電池不同生熱速率時的生熱效果，具體表現(xiàn)為電池自身生熱或者外部熱源加熱；也可以分析對電池產(chǎn)生的熱量進行散熱的效果，具體表現(xiàn)為不同傳熱系數(shù)和冷卻效果。由于受電池工作電流、內(nèi)阻和SOC等因素的影響，熱分析模型[5]具有時變、非穩(wěn)態(tài)特征，做如下假設(shè)：

(1) 各種材料介質(zhì)均勻，密度一致，同一材料比熱容、同一方向熱導率相等，不受溫度和SOC變化影響；

(2) 電池內(nèi)核區(qū)域電流密度均勻，生熱速率一致。

基于上述假設(shè)，長方體外形電池在直角坐標系下的三維熱傳導模型為

(1)

式中:ρ為平均密度；c為電池比熱；T為溫度；t為時間；λx,λy和λz為電池在x，y和z3個方向上的導熱系數(shù)；q為單位體積生熱速率。

求解導熱微分方程需要解決三個關(guān)鍵問題：熱物性參數(shù)ρ，c和λ的獲取，生熱速率q的表達和定解條件的確定。

3.1 電池熱物性參數(shù)

車用鋰離子電池單體結(jié)構(gòu)有圓柱形卷繞式、疊片式鋁塑膜軟包裝以及硬質(zhì)外殼方形等結(jié)構(gòu)，本文中采用最為典型的疊片式鋁塑膜電池結(jié)構(gòu)進行實驗研究，其結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 疊片式鋁塑膜鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電池密度采用平均密度法。電池比熱容的獲取有理論法和實驗法。實驗法在絕熱環(huán)境中通過外部加熱方式獲得，理論法公式為

(2)

式中:CB為電池比熱容；mi，Ci，ρi和Vi分別為電池內(nèi)部不同部分的質(zhì)量、比熱容、密度和體積；M為電池單體總質(zhì)量。

由于電池導熱表現(xiàn)為各向異性，通常采用熱阻法。對于上述鋰電池，在厚度方向上(x方向)導熱系數(shù)按照串聯(lián)熱阻法計算：

(3)

其他兩個方向(y和z方向)的導熱系數(shù)按照并聯(lián)熱阻法計算：

(4)

式中：λp，λn，λs和λw分別為電池單體正、負極片、隔膜和外殼的導熱系數(shù)；Lxp，Lxn，Lxs和Lxw分別表示正極極片、負極極片、隔膜和外殼的長度；Lx為電池單體的厚度。

3.2 電池生熱速率

鋰電池生熱率模型[6]有Bernardi模型、引入電流密度的Bernardi電熱耦合模型和基于電池內(nèi)阻的等效模型，其中Bernardi生熱速率模型應(yīng)用最為普遍，尤其適合于上述疊片式鋁塑膜電池，該模型建立了電池電場和熱場之間的關(guān)系，公式為

(5)

式中:q為生熱率；β為生熱率的修正系數(shù)，通過仿真模擬與實驗比較,得到放電時β取1.13，充電時β取0.65；VB為電池單體體積；IL和UL分別為電池的充放電電流和電壓；T為溫度；E為開路電壓；(E-UL)IL/VB為電池焦耳熱；(IL/VB)T(dE/dT)為電池電化學反應(yīng)熱；dE/dT為電池電動勢的溫度影響系數(shù)。

3.3 電池傳熱邊界條件

電池和環(huán)境熱交換主要是傳導和對流[7]，其中熱傳導服從傅立葉定律：

(6)

式中:qn為熱流密度，W/m2；k為導熱系數(shù)，W/(m·K)；?T/?n為電池等溫面法線方向的溫度梯度，K/m。

對流換熱與溫差成正比，用牛頓公式表示：

φ=hA(TW-Tf)=hAΔT

(7)式中:φ為熱流量，W；h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)；A為面積；TW為壁面溫度，K；Tf為流體溫度，K。

3.4 電池散熱流場方程

電池組散熱通常采用強制對流方式，分為層流和湍流兩種，采用雷諾數(shù)(Re)進行判別，公式為

Re=ρLV0/μ

(8)

式中：ρ為流體密度；L為特征尺度；V0為流體流動速度；μ為流體的動力黏度。對于強制風冷對流散熱，Re一般大于4 000，所以為湍流，通常采用標準兩方程k-ε模型。

湍流黏度方程為

μt=ρCμk2/ε

(9)

式中：μt為湍流黏度；Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，取0.09；k表示湍流運動能量；ε表示湍動耗散率。

湍流動能k方程為

Gk-ρε

(10)

式中：t為時間；Ui(i=1，2，3)分別表示x，y，z3個方向的速度u，v，w；xi(i=1，2，3)分別表示x，y，z3個坐標方向；σk為湍流動能的有效Prandtl數(shù)，其值取1；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項。

湍流動能耗散率ε方程為

(11)

式中：σε表示動能耗散率的有效Prandtl數(shù)，取1.3；C1ε和C2ε為經(jīng)驗常數(shù)，取1.44和1.92。

4 電池模塊熱管理仿真與實驗

電池熱管理設(shè)計合理性主要采用電池溫度分布特性，以及極端環(huán)境溫度下電池所能達到的性能作為評價指標。本文選用某特種車輛用的48塊鋁塑膜鋰離子電池單體串聯(lián)組成的模塊，其容量為35A·h，標稱電壓為178V，環(huán)境溫度和性能要求見表1。

表1 電池模塊環(huán)境適應(yīng)性要求

為此，針對上述鋰離子電池模塊，設(shè)計了PTC加熱和強制風冷的電池熱管理方案，采用PTC電阻帶嵌入鋁導熱板槽內(nèi)，卷繞于電池單體、導熱板之間，PTC采取220V交流電或者從自身取電生熱，經(jīng)鋁導熱板與電池進行熱傳導，同時導熱鋁板多余槽形成風道，通過電池箱頂部風扇抽風強制散熱。為減少運算量，電池熱管理仿真分析根據(jù)對稱性原理，電池模塊采用了1/4有限元模型。

4.1 電池模塊生熱特性仿真

采用電池物性參數(shù)獲取方法，得到了上述鋁塑膜鋰離子電池物性參數(shù)，見表2。

表2 電池單體各組成部分的物性參數(shù)

在Bernardi生熱率模型中，電池端電壓、電流和SOC通過電池性能模型得到，電池電勢E隨SOC變化采用實驗擬合得到函數(shù)E=f(SOC，T)，SOC=0.7,-40℃≤T≤20℃擬合結(jié)果如圖10所示，擬合函數(shù)表達為

dE/dT=3.384×10-7T2+1.072×10-5T+

5.734×10-4

圖10 SOC=0.7單體實驗值與擬合值

選取2C倍率持續(xù)放電，仿真得到電池整個放電過程的平均溫升特性，見圖11，仿真誤差在8%以內(nèi)，并進一步得到了電池以不同倍率持續(xù)放電，不同環(huán)境溫度下溫升特性，見圖12。

圖11 電池2C放電仿真與實驗溫升對比

圖12 溫升與外界溫度及放電電流的關(guān)系

4.2 電池模塊散熱仿真與實驗

結(jié)合電池生熱模型和強制風冷散熱模型，常溫下電池2C持續(xù)放電，仿真得到了電池溫升特性和溫度一致性，并從電池箱風道、結(jié)構(gòu)以及流量等方面做進一步優(yōu)化，得到了比較合理的電池熱管理方案，仿真結(jié)果見圖13和圖14，電池單體最大溫差從優(yōu)化前15℃變?yōu)?℃，最高溫度由優(yōu)化前35℃變?yōu)?0℃。

圖13 電池模塊散熱仿真(優(yōu)化前)

圖14 電池模塊散熱仿真(優(yōu)化后)

針對上述散熱方案，采用2C倍率進行放電實驗，分析電池模組的溫度分布情況，結(jié)果如圖15所示。由圖可見：不開風扇放電完畢溫升和溫差分別為20和3℃，開啟風扇后可有效降低電池的溫升，放電完畢溫升降低10℃，但溫差加大，達5℃。

圖15 電池箱模塊不同放電倍率下溫升特性

4.3 電池模塊PTC加熱仿真與實驗

-40℃環(huán)境下，對1/4有限元模型12個電池單體都施加20W加熱功率，得到熱流密度邊界條件為480W/m2, 加熱40min后仿真得到圖16(a)的仿真結(jié)果，電池單體溫度升至-12℃，大部分電池單體溫度比較一致，最大溫差為2.5℃，最外側(cè)的1號、2號和3號電池溫度偏低，這主要是由于3塊電池與空氣組成了對流散熱。選取0℃作為加熱終止溫度，進一步仿真得到電池環(huán)境溫度、加熱功率和加熱時間之間的相互關(guān)系，如圖16(b)所示，為實際應(yīng)用中加熱功率選取和熱管理策略提供參考。

圖16 電池模塊加熱仿真與加熱規(guī)律

為評估電池模塊PTC加熱效果，將上述充滿電的電池模塊放在-38℃(恒溫箱只能達到-38℃，無法達到-40℃)恒溫箱8h后，采用外部220V交流電對PTC電阻帶供電，加熱功率為2kW，到0℃所用時間為25min，加熱過程中不同電池單體中心位置的溫度變化曲線見圖17(a)。電池加熱結(jié)束后，以不同放電倍率放電，截止電壓為144V，實驗結(jié)果如圖17(b)所示。結(jié)果表明，PTC加熱方案對提高電池低溫性能非常顯著，在-38℃環(huán)境下可實現(xiàn)2C放電，放電能力得到大幅提升，容量可恢復到標稱容量80%，是加熱所消耗電能的4倍，并且加熱過程中不同電池單體中心位置溫度差異在5℃以內(nèi)，說明加熱均勻性好。

圖17 -38℃電池加熱后溫度變化和加熱后放電性能

5 結(jié)論

(1) 給出了電池熱管理設(shè)計流程和電池熱分析建模方法，指導了某型號鋰離子電池PTC加熱和強制風冷熱管理方案設(shè)計。

(2) 應(yīng)用鋰離子電池熱分析模型，仿真得到了鋰離子電池模組生熱、強制風冷散熱以及外部加熱的溫度特性和影響規(guī)律。

(3) 電池熱管理實驗表明，電池模組2C放電溫升控制在10℃以內(nèi)，溫差控制在5℃以內(nèi)，-38℃環(huán)境下PTC加熱電池可實現(xiàn)2C放電，容量恢復80%，驗證了電池熱分析模型和熱管理方案的可行性、正確性。

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Study and Implementation of Thermal Management Technology for the Power Batteries of Electric Vehicles

Li Junqiu1, Wu Puen1& Zhang Chengning1

SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081

To improve the performance, in particular the thermal adaptability of power batteries for electric vehicles, the design procedure of battery thermal management system is proposed based on the battery performance model. Experiments are conducted to analyze the temperature rise and low temperature performances of lithium-ion battery and the adaptability of battery performance model. By utilizing the theories of thermoelectric coupling and heat transfer in battery, the modeling method for battery thermal analysis is proposed and applied to the design of battery thermal management system with PTC heating and forced air cooling. Simulations are performed and the battery temperature characteristics in heat generation, heat dissipation and heating and their influence law are obtained. Finally, the validity of the modeling method and the effectiveness of the thermal management system are verified by experiments.

EV; lithium-ion battery; battery thermal management；heat-generating model

*國防預研項目(104010108)資助。

原稿收到日期為2014年6月3日，修改稿收到日期為2014年8月31日。