车载锂离子电池组的热管理模拟

研究背景

目前车载锂离子电池多为大型动力电池，使用过程中由于生热较多，且不易散出，造成电池温度分布不均，局部温度过高等问题。而电池在高温条件下工作时，其电池能量效率将会下降，寿命缩短，严重时甚至会发生变形、爆炸等危险。因此，研究并优化单体电池的热设计，进而对电池组进行热管理十分必要。

现阶段，电池热管理的研究大多通过仿真模拟进行。通过对电池充放电过程中其内部产热、传热过程的分析，建立相应的热模型，模拟电池工作过程中内部的温度分布情况，并通过优化电池组结构、尺寸，调整局部设计，以降低电池使用过程中的温度，减少热量的局部积累，使电池整体温度更均匀。因此，建立合理的热模型是电池热管理研究的关键。

电池热模型可以根据不同的几何结构分为集中质量模型、一维模型、二维模型和三维模型等。其中集中质量模型是将电池视为质点，模型较为简单，常用于电池整体性能的研究；一维模型主要用于计算圆柱形电池的温度场分布，以电池的径向为变化单位进行研究；二维模型同样适用于圆柱形电池的研究，区别在于将电池的轴向加入考虑，研究温度场分布；三维模型主要应用在方形层叠式锂离子电池的热过程模拟。

本工作主要研究方形锂离子动力电池，根据其几何结构与生热原理，选用三维模型来描述其几何结构，选用电-热耦合模型进行热量计算。利用等效电阻法计算电池生热与温度分布；结合实验测定电池工作时表面温度分布，相互比较，对模型进行修正；最后再进一步将修正的热模型应用于电池组，仿真模拟其温度变化，并优化电池组结构。

创新点及解决的问题

为解决电动汽车锂离子电池组工作过程中散热不均匀的问题，对其进行热模拟仿真并优化管理。首先，对锂离子电池工作时的生热与传热机理进行了研究，并对方形锂离子电池建立了三维热模型。其次，对单体电池工作过程中的温度分布与变化曲线进行了模拟，对比实际工作时电池表面温度修正了模型。最后，将已修正的模型应用于电池组中，模拟其工作过程中的温度分布与变化，并优化电池组结构，添加强制冷却装置以降低电池组工作温度。经模拟优化知，在环境温度20 ℃时，当冷却风入口面积为6倍单电池侧面面积，冷却风量为1 kg/s时，对电池组冷却效果较好，且更经济。

目录及图文导读

1  模型建立

锂离子电池的热模型用于计算电池充放电过程中内部温度随时间与空间的变化情况。建立模型时需考虑电池内部的生热机理以及这部分热量由电池内向外的传热机理。

1.1 电池生热机理

根据Newman的电池生热理论，认为电池单位时间产生的热量由4部分组成：反应热、极化热、副反应热与焦耳热。

1.2  电池传热机理

电池工作过程中产生的热量，先由电池内部向电池外表面传递，再由电池外表面与环境进行热交换。

1.2.1  电池内部向外表面传热过程

1.2.2  电池外表面与环境之间的热交换

2  实验结果与讨论

本文研究的是中聚电池公司生产的66 A·h大型锂离子电池。测试内容主要分为两部分，首先对电池的总电阻进行测定，即HPPC曲线的测定，用于计算电池的生热速率；其次，对电池在不同环境温度下不同倍率（1 C、2 C、3 C）放电时电池表面温度的测定，用于验证模拟计算的准确性，电池表面温度通过在电池表面粘贴热电偶获得。

2.1  电池内阻测试

图1  66 A·h电池HPPC曲线（环境温度20 ℃，SOC = 50%）

 图2  不同环境温度下电池总内阻随荷电程度变化曲线

2.2  电池表面温度测定

图3  电池表面热电偶位置分布

图4  不同放电倍率电池表面温度随荷电程度变化曲线（环境温度20 ℃）

3  仿真模拟

3.1  单体电池模拟

3.2  电池组模拟

结     论

本文分析了电池工作过程中的生热与传热机理，利用等效电阻计算电池生热速率，对方形锂离子电池建立了相应的热模型。

根据建立的模型，模拟单体电池在20 ℃环境温度下不同放电倍率（1 C、2 C、3 C）时的温度随荷电程度的变化以及温度分布，并选取电池表面具有代表性的4点对比模拟温度与实际温度。发现模型对模拟电池放电倍率3 C以下的工作过程较为准确，放电前期温度模拟有差异，最大误差在5.6%左右，放电后期的温度模拟与实际工作温度基本吻合。

对电池组模拟时，首先，模拟无强制冷却对流时的温度分布，发现电池组内各个电池温度较为接近，电池整体温度较单体电池有所上升。其次，增加风扇对电池组进行强制冷却对流，将空气出口面积一定（80 mm×110 mm），模拟20 ℃环境温度下冷却效果；模拟优化后发现，环境温度20 ℃时，在入口面积为6 S（S为单电池侧面面积）、冷风量为1 kg/s时冷却效果更好更经济。 

标签：锂离子,模型,车载,电池组,电池,模拟,温度
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