余劍武 范光輝 羅紅 李鑫 張亞飛

摘 要：以某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池模組匯流排為研究對(duì)象，提取匯流排的三維數(shù)模、工況邊界條件以及與電池單體的連接關(guān)系，采用熱電耦合數(shù)值計(jì)算方法研究電流大小、對(duì)流換熱系數(shù)以及焊接工藝對(duì)匯流排溫升的影響規(guī)律.為保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，采用動(dòng)力電池組綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)指定的不同工況進(jìn)行溫升試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)試工況條件與數(shù)值計(jì)算中的邊界設(shè)置保持一致.研究表明，網(wǎng)格離散、邊界條件、電流大小、對(duì)流換熱系數(shù)以及極耳焊接工藝都會(huì)對(duì)匯流排的溫升產(chǎn)生不同程度的影響.針對(duì)個(gè)別工況下數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果誤差較大的情況，詳細(xì)分析誤差產(chǎn)生的原因，深入研究因素之間的關(guān)聯(lián)性以及對(duì)誤差的影響規(guī)律，進(jìn)而對(duì)數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行修正.最后，設(shè)定新工況再次對(duì)匯流排進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試，運(yùn)用因素的關(guān)聯(lián)性和對(duì)誤差的影響規(guī)律，數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的誤差不超過(guò)3.7%.

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；因素關(guān)聯(lián)性；焊接工藝；溫升；熱電耦合

中圖分類(lèi)號(hào)：TH132.47 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Taking the battery module busbars of an electric vehicle as the research object， the 3D digital of busbar， working boundary conditions， connection relationships between busbar and battery cells were extracted. The influence rules of current size， convective heat transfer coefficient and pole welding process on the temperature of busbar were studied by numerical method of thermoelectric coupling. In order to ensure the accuracy of the numerical calculation， the dynamic battery pack test system was used to investigate the temperature variance of the specified working condition. The test condition was consistent with the boundary setting in the numerical calculation. The results show that the grid partition， boundary condition， current size， convective heat transfer coefficient and pole welding process have different effects on the temperature rise of the busbar. As the error between the numerical calculation and test result occurs in some working conditions， the reason was analyzed in detail. The correlation between the factors and the influence law of the error were also further studied， and then the numerical calculation model was modified. Finally， under the new working conditions， the numerical calculation and experimental measurements of busbar were carried out. Through using factor association and the influence rule on the error， the error between numerical calculation and experimental measurement was within 3.7%.

Key words：power battery；factor association； welding process； temperature rising； thermoelectric coupling

隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的迅猛發(fā)展，續(xù)航里程和動(dòng)力性能對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的比容量、比能量、不同倍率下的充放電性能穩(wěn)定安全可靠性的要求更高[1].電池單體電壓電流較小，為滿(mǎn)足充放電電流的需求，要對(duì)電池單體進(jìn)行并聯(lián)連接；提高動(dòng)力電池組的供電電壓，需對(duì)電池單體進(jìn)行串聯(lián)連接[2-4].作為電池單體串并聯(lián)的重要連接部件，匯流排在大電流作用下溫度會(huì)急劇上升，有嚴(yán)重的安全隱患.此外，設(shè)計(jì)不良的匯流排會(huì)引起并聯(lián)電池單體電流分配的不均衡[5-6].電池單體充放電電流的不均勻性不僅嚴(yán)重降低整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的容量和能量，長(zhǎng)期使用還會(huì)降低電池單體的使用壽命.電池單體充放電的均衡性影響整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的壽命、安全性等[7-9].

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于匯流排溫升的文獻(xiàn)還不多，設(shè)計(jì)優(yōu)良的匯流排不僅可以降低匯流排的溫升、提高電池能量的利用率，還可以顯著改善電池單體充放電電流的均衡性[10-12].研究表明，鋁排形狀和電流進(jìn)出口會(huì)影響電流的均勻性和匯流排溫升[13-16].匯流排的匯流特性通常采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值計(jì)算兩種方法來(lái)評(píng)估.實(shí)驗(yàn)測(cè)試具有結(jié)果可靠、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)；但實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng).另外，測(cè)試設(shè)備成本高，而且現(xiàn)有設(shè)備幾乎無(wú)法測(cè)試超大電流工況.數(shù)值計(jì)算基于傳熱學(xué)、電學(xué)、流體力學(xué)、多物理場(chǎng)耦合等理論采用有限元方法對(duì)匯流排的溫度場(chǎng)分布、電流分布以及發(fā)熱點(diǎn)進(jìn)行物理場(chǎng)求解.數(shù)值計(jì)算具有開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)靈活、便于重復(fù)設(shè)計(jì)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[17-19].實(shí)驗(yàn)測(cè)試的試驗(yàn)工況點(diǎn)十分有限，過(guò)多的實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)會(huì)大大提高測(cè)試成本，而數(shù)值計(jì)算方法可以在幾乎不增加成本的前提下任意增加測(cè)試工況點(diǎn)；數(shù)值計(jì)算方法理論上可以計(jì)算無(wú)限大電流的工況，這是實(shí)驗(yàn)測(cè)試無(wú)法實(shí)現(xiàn)的.

然而對(duì)動(dòng)力電池組匯流排匯流特性的評(píng)估，熱電耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果常與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果存在誤差.某些工況下甚至因計(jì)算誤差較大而失去評(píng)估指導(dǎo)的意義.本文基于熱電耦合計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量存在誤差的現(xiàn)象，對(duì)匯流排熱電耦合計(jì)算中誤差產(chǎn)生的因素進(jìn)行研究和分析.首先以某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池模組為研究對(duì)象，采用動(dòng)力電池組綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)指定的不同工況進(jìn)行溫升實(shí)驗(yàn)測(cè)試，著重考察電池組匯流連接排的溫升變化；其次提取匯流排的三維模型、工況邊界條件以及與電池單體的連接關(guān)系，對(duì)模型簡(jiǎn)化處理后進(jìn)行熱電耦合數(shù)值計(jì)算，計(jì)算工況的設(shè)定與實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況完全一致；然后對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析誤差產(chǎn)生的原因.

1 熱電耦合數(shù)值計(jì)算

1.1 熱電耦合數(shù)值計(jì)算本構(gòu)方程

1.2 模型建立及網(wǎng)格離散分析

本文采用Catia對(duì)匯流排進(jìn)行了三維建模，在Ansys中進(jìn)行三維離散以及熱電耦合數(shù)值計(jì)算，三維模型和計(jì)算域的離散如圖1所示.匯流排通過(guò)與電池單體正負(fù)極耳的焊接實(shí)現(xiàn)電池單體的串并聯(lián)連接關(guān)系.計(jì)算域三維離散的主要目的是把復(fù)雜的偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程，從而實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)、電場(chǎng)的精確計(jì)算.

網(wǎng)格離散對(duì)溫升的影響主要考察網(wǎng)格尺寸對(duì)溫升的影響.在分析中，匯流排模型的網(wǎng)格尺寸從小到大依次為0.2 mm、0.4 mm、0.8 mm、1.6 mm、2 mm、4 mm，網(wǎng)格數(shù)量如表1所示.

電流采用單側(cè)進(jìn)入單側(cè)輸出的方式，大小400 A（即每個(gè)進(jìn)口電流100 A）.實(shí)際所測(cè)動(dòng)力電池組的匯流排材料為6061系鋁，其材料特性如表2.

圖2為網(wǎng)格離散對(duì)匯流排溫升的影響，隨著網(wǎng)格尺寸的減小，匯流排溫升趨于穩(wěn)定.網(wǎng)格尺寸小于2 mm，溫升波動(dòng)鎖定在3%范圍內(nèi)，超過(guò)4 mm，計(jì)算誤差將會(huì)超過(guò)8%.為兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和效率，本文后續(xù)計(jì)算工況網(wǎng)格尺寸均為0.8 mm.

2 熱電耦合數(shù)值計(jì)算工況設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)工況和經(jīng)驗(yàn)可知，電流大小、進(jìn)出口邊界條件、對(duì)流換熱系數(shù)和極耳焊接工藝都會(huì)對(duì)匯流排溫升產(chǎn)生較大影響.因此，熱電耦合數(shù)值計(jì)算主要是模擬電流大小分別為120 A、240 A、360 A、400 A下匯流排的溫升情況.為分析匯流排溫升中熱電耦合數(shù)值計(jì)算誤差產(chǎn)生的原因，本文從進(jìn)出口邊界條件、對(duì)流換熱系數(shù)兩個(gè)方面對(duì)工況進(jìn)行了設(shè)計(jì).

2.1 進(jìn)出口邊界設(shè)置

電流的進(jìn)出口邊界主要反映電流在匯流排所連接的極耳上的進(jìn)出情況，在數(shù)值模擬中也是較難捕捉的邊界設(shè)置.為研究電流進(jìn)出口邊界對(duì)匯流排溫升的影響，電流進(jìn)口采用單側(cè)進(jìn)入、雙側(cè)進(jìn)入、截面進(jìn)入、雙側(cè)截面進(jìn)入4種方式，表3為進(jìn)出口邊界工況設(shè)計(jì)詳細(xì)參數(shù).

電流出口為零電位點(diǎn)，同樣采取單側(cè)流出、雙側(cè)流出、截面流出、雙側(cè)截面流出4種方式，其流入流出如圖3所示.為了揭示進(jìn)出口邊界的影響規(guī)律，在考察入口邊界的影響時(shí)，保持出口為單側(cè)流出邊界設(shè)定不變.同理，在考察出口邊界的影響時(shí)，保持進(jìn)口為單側(cè)流入邊界設(shè)定不變.

2.2 對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置

對(duì)流換熱系數(shù)受流體黏度、密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、流動(dòng)狀態(tài)、幾何結(jié)構(gòu)等因素的影響較大.在分析中，為了探究對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)熱電耦合數(shù)值計(jì)算溫升的影響，進(jìn)一步校準(zhǔn)數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，對(duì)流換熱系數(shù)的工況設(shè)計(jì)如表4所示.

2.3 極耳焊接工藝設(shè)置

在模組內(nèi)部，電芯之間的串并聯(lián)連接是通過(guò)焊接工藝將極耳與匯流排固定在一起，焊接工藝對(duì)匯流排的溫升也會(huì)產(chǎn)生一定影響.如圖4所示，匯流排連接先四并再串聯(lián)的八個(gè)電池單體.由于焊接位置和焊接深度限制，八個(gè)極耳中兩個(gè)極耳共用一條焊縫.焊接工藝主要控制焊縫位置和寬度，進(jìn)而影響電流在匯流排的出入口位置以及出入口截面積.

圖5為焊接工藝控制示意圖，焊接工藝的控制只需改變焊縫寬度和位置即可實(shí)現(xiàn).焊縫寬度以矩形長(zhǎng)條的寬度來(lái)定義.焊縫寬度分別設(shè)置為1 mm（標(biāo)準(zhǔn)工況）、1.5 mm、2 mm、2.5 mm、3 mm.焊縫位置通過(guò)圖5中黑色線(xiàn)段的長(zhǎng)度來(lái)控制.焊縫位置分別設(shè)置為1 mm、2 mm、3 mm（標(biāo)準(zhǔn)工況）、4 mm、5 mm，數(shù)值模擬標(biāo)準(zhǔn)工況設(shè)置如表5所示.

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 進(jìn)出口邊界條件對(duì)匯流排溫升的影響分析

圖6為電流進(jìn)口邊界對(duì)溫升的影響，圖7為電流出口邊界對(duì)溫升的影響.分析結(jié)果表明，截面流入流出方式溫升最大.電子流在極耳區(qū)域大規(guī)模匯聚，無(wú)論兩側(cè)還是極耳截面處都出現(xiàn)大規(guī)模電子流匯聚現(xiàn)象.從整體來(lái)看，進(jìn)出口邊界條件對(duì)溫升影響不大，溫升波動(dòng)范圍在3%以?xún)?nèi)，主要原因是極耳內(nèi)阻在1 mΩ以下，小電流下的熱效應(yīng)不明顯.根據(jù)電芯制造工藝，一般來(lái)說(shuō)選擇單側(cè)流入流出方式即可滿(mǎn)足計(jì)算精度要求.

3.2 對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)匯流排溫升的影響分析

圖8為對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)匯流排溫升的影響，隨著熱交換系數(shù)的減小，匯流排溫升急劇上升.對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)熱電耦合數(shù)值計(jì)算的影響十分敏感，這一參數(shù)也是造成熱電耦合數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差的主要因素.在對(duì)標(biāo)實(shí)驗(yàn)工況的熱電耦合數(shù)值計(jì)算中，對(duì)流換熱系數(shù)均設(shè)置為5W/（m2·K）.

3.3 極耳焊接工藝對(duì)匯流排溫升的影響分析

圖9為極耳焊接工藝對(duì)匯流排溫升的影響，（a）為焊接寬度對(duì)匯流排溫升的影響，（b）為焊接位置對(duì)匯流排溫升的影響.隨著焊縫寬度的增加，匯流排溫升呈上升趨勢(shì)，隨著焊縫趨近中心位置，匯流排溫升呈現(xiàn)下降趨勢(shì).

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工況

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文采用動(dòng)力電池組綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電池模組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，動(dòng)力電池組綜合測(cè)試系統(tǒng)如圖10（a）所示.圖10（b）中的紅外熱像儀是用來(lái)捕捉某一區(qū)域表面的溫度場(chǎng)，對(duì)溫度測(cè)試點(diǎn)進(jìn)一步從側(cè)面驗(yàn)證，匯流排三維模型與實(shí)物圖如圖11所示.

采用實(shí)驗(yàn)方法評(píng)估動(dòng)力電池組的匯流特性，主要測(cè)試不同放電倍率下匯流排處的溫升變化.測(cè)試模組如圖12所示，容量為120 Ah，其中T1、T2、T3、T4、T5、T6為溫度測(cè)試點(diǎn).T1、T6為模組總正總負(fù)匯流排溫度測(cè)試點(diǎn)，T2、T3、T4、T5則為本文重點(diǎn)觀(guān)測(cè)的溫度測(cè)試點(diǎn)，該區(qū)域的匯流排結(jié)構(gòu)形狀和裝配關(guān)系是完全一樣的.同時(shí)檢測(cè)四處匯流排的溫升變化，主要是為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性和準(zhǔn)確性.其余的為電壓檢測(cè)點(diǎn)，與本文研究?jī)?nèi)容關(guān)系不大，此處不再贅述.

4.2 測(cè)試流程

為了測(cè)試不同電流下匯流排的溫度變化，務(wù)必保持電流大小恒定.由于電池組測(cè)試系統(tǒng)功能局限性，只能恒流充電、不能恒流放電，故實(shí)驗(yàn)測(cè)試工況設(shè)置如圖13，實(shí)驗(yàn)主要考察120 A、240 A、360 A、400 A電流下匯流排的溫升.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比與誤差分析

5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖14為數(shù)值計(jì)算溫升與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫升對(duì)比情況，數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格尺寸仍為0.8 mm，采用單側(cè)流入單側(cè)流出的電流進(jìn)出方式，對(duì)流換熱系數(shù)為5 W/（m2·K）.由圖14可知，無(wú)論那種電流工況，數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)均存在不同程度的誤差且表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性.隨著電流不斷增加，數(shù)值計(jì)算溫升的增幅較大，從而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算超越實(shí)驗(yàn)結(jié)果的幅度就增大.在120 A電流作用下，數(shù)值計(jì)算比實(shí)驗(yàn)溫升還略低，240 A時(shí)比實(shí)驗(yàn)溫升稍高.當(dāng)電流達(dá)到360 A、400 A的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果明顯偏高，誤差不斷增大.

5.2 誤差分析與修正

根據(jù)流體力學(xué)、傳熱學(xué)以及前文對(duì)影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果的因素分析可知，由于數(shù)值計(jì)算的對(duì)流換熱系數(shù)均設(shè)定為5 W/（m2·K），而周?chē)諝饬鲃?dòng)狀態(tài)隨溫度變化影響較大，周?chē)諝獾牧鲃?dòng)狀態(tài)又會(huì)顯著影響對(duì)流換熱系數(shù).低溫狀態(tài)下，空氣流動(dòng)緩慢，對(duì)流換熱系數(shù)可能小于5 W/（m2·K）.高溫下空氣流動(dòng)加劇，對(duì)流換熱系數(shù)可能大于5 W/（m2·K）.因此，所用的工況采用同一個(gè)對(duì)流換熱系數(shù)將會(huì)引起計(jì)算誤差.根據(jù)測(cè)試的溫升結(jié)果，對(duì)不同電流下的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正，重新進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，圖15為數(shù)值計(jì)算溫升與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫升對(duì)比圖，修正后的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到很好的吻合.

由3.2節(jié)圖8分析可知，400 A電流作用下，對(duì)流換熱系數(shù)為7 W/（m2·K）時(shí)，溫升為11.7 ℃；對(duì)流換熱系數(shù)為9 W/（m2·K）時(shí)，溫升為9.2 ℃.400 A工況下實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫升為10.2 ℃，推斷可知該實(shí)驗(yàn)工況的對(duì)流換熱系數(shù)約為8 W/（m2·K）.采用此種單一變量法，對(duì)其他電流工況的對(duì)流換熱系數(shù)進(jìn)行修正，修正前后對(duì)比如表6所示.該方法可以為熱邊界條件提供較為精確的預(yù)測(cè)，從而提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和有效性.

5.3 新工況計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)流換熱系數(shù)與電流工況數(shù)據(jù)擬合的準(zhǔn)確性，設(shè)定電流工況為256 A，此時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)約為5.7 W/（m2·K）.圖16為數(shù)值計(jì)算與熱像儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比圖，數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果得到較好的吻合.

6 結(jié) 論

1）網(wǎng)格離散、進(jìn)出口邊界條件對(duì)熱電耦合計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的誤差影響不顯著，而對(duì)流換熱系數(shù)對(duì)誤差的產(chǎn)生具有顯著的影響.極耳焊接在保證一定焊接寬度的同時(shí)，確保焊縫處于中心位置.

2）對(duì)流換熱系數(shù)與電流大小具有相互耦合的關(guān)系，電流在120～400 A區(qū)間對(duì)應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)范圍為4～8 W/（m2·K）.該方法可以為熱邊界條件提供較為精確的預(yù)測(cè)，從而提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和有效性.

3）經(jīng)誤差分析，得到對(duì)流換熱系數(shù)與電流工況之間的關(guān)系是控制誤差的關(guān)鍵.利用曲線(xiàn)擬合插值法，可以精確計(jì)算不同電流工況下匯流排的溫升，誤差控制在3.7%以?xún)?nèi).

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