动力电池包的热场分析

白晟熙，顾海生，唐曙华（苏州海格新能源汽车电控系统科技有限公司，江苏苏州215000）

动力电池包的热场分析

白晟熙，顾海生，唐曙华
（苏州海格新能源汽车电控系统科技有限公司，江苏苏州215000）

分析对电池包生热管控的必要性以及热管理系统的功能和组成，基于传热学理论模型，应用ICEPAK模拟软件对某10.5 m纯电动客车的电池包热场进行数值模拟，并根据模拟结果提出改进措施。

电动汽车；电池包；热场分析；ICEPAK

电动汽车安全事故日渐频繁，其中大部分是由于电池包热失控引起的火灾或爆炸。因此，有效的电池包热管理系统对于电动汽车的安全运行起着至关重要的作用。通过正确的理论计算及合理的数值模拟对电池包的热场进行分析，是电池包热管理系统的前提和基础。目前，电池的热模型仍未达到成熟阶段，如何保证动力电池包的热安全仍是值得探索的课题。本文基于实验室测试条件，对某10.5 m纯电动客车后厢内两个尾对尾的电池包应用ICEPAK进行热模拟，对比测试及模拟结果并提出改进散热的技术方案。

1 锂离子电池包热管理系统

锂离子电池对温度有着极大的敏感性，在高低温下电池的性能会受到极大影响。因此，对于锂离子电池及电池包温度的管控十分重要。本文主要研究磷酸铁锂电池，它具有较高的质量比容，稳定的充放电平台以及良好的循环寿命（约2 000次），但是在温度超过55℃时，它的工作性能开始衰减。此外，在过充电时，碳电极表面易析出金属锂枝晶而引起短路和热失控；负极表面的SEI膜会形成一定的温度效应，热阻增加到某一特定值可能会损坏隔膜，造成短路进而可能起火爆炸[1]。另外，碳在低温环境下嵌入负极的能力急剧下降，脱出负极的能力也有所下降，所以碳负极的锂离子电池在低温环境下充电比放电更难。磷酸铁锂电池的最低充电温度接近0℃，因此需要在某些低温场合加设加热装置[2]。

由于电池生产制造工艺水平有限，导致电池单体之间一致性本就不高，当多个电池单体组成电池模块时，电池单体很难发挥出单体最佳性能。随着对电池包频繁地大电流充放电，电池温度很容易快速上升；并且受制于电池包的有限空间，产生的热量逐渐积累，造成电池间温度不均匀，进一步影响电池单体的一致性。这会降低电池充放电效率，影响电能释放，甚至导致热失控及失火、爆炸等问题，严重威胁整车系统的安全性与可靠性[3]。

因此，电池包热管理系统BTMS需要实现以下功能：优化每节单体和所有电池模块的工作温度，温度较高时及时散热，温度较低时适度加热；控制电池单体和模块内的温差尽量小；控制不同模块之间的温差尽量小；结构紧凑，重量轻，易于包装，可靠性高，低成本；对于潜在危险气体，做好通风设备[4]。

2 电池包传热理论模型

在电池包中，空气自然对流、强制风冷或液冷产生的流体流动和电池产热与外界进行的热传递同时存在，且均遵守质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。对于电池包的温度场及流场，计算流体力学CFD可以用一系列有限个离散点的变量值的集合代替场内连续的物理量，建立反映这些离散点场变量之间关系的代数方程组，求解，进而得到温度和流体特征的近似值。

2.1 电池包温度场

由于锂离子电池在单位时间内散热和生热，所以采用非稳态传热的能量守恒方程计算电池热模型，如式（1）所示[5]。对于方形动力电池，该模型可应用于电池的任意微元体。

式中：ρ为电池单体平均密度，kg/m3；Cp为电池单体比热容，J/（kg·K）；kx、ky、kz分别为电池内部沿x、y、z方向上的热导率，W/（m·K）。等式左侧表示单位时间内电池微元体热力学能的增量（非稳态项），等式右侧前三项表示电池微元体通过传热在单位时间内增加的能量（扩散项），最后一项表示电池生热速率（源项）[6]。

2.2 电池包流体流场

对于电池包内外的湍流流场（经核算Re＞2 300），为了更真实地反映湍流粘度μt和耗散率ε，采用可实现的k-ε两方程模型进行计算[7]，式（2）和式（3）分别是湍动能k、湍流耗散率ε的运输方程。

式中：Pk为由平均速度梯度产生的湍动能生成项；Pb为由浮力产生的湍动能生成项；μt为湍流粘性系数；模型常数C1ε=1.44，C2=1.9。

根据式（1）～式（3），即可对合理模型进行热模拟和风速风压的模拟仿真。

3 CFD可靠性验证及实例改进

3.1 电池包热模型处理

工作中的电动汽车，热源是电池模块本身，同时电池正负极极耳在电流通过时也会产生热量，其散热环境由电池热管理系统提供。在进行模拟时，热模型可简化为：电池单体、两极极耳以不同生热速率产热，热量一部分由电池外壳传到空气中，另一部分自身加热升温[8]。由于电池内部结构、电化学反应、产热机理、换热机理均较复杂且空气可视为不可压缩粘性流体，为了简化模型实现模拟，可在仿真时根据一系列合理假设对模型作近似处理：电池内部材料各向同性，物理化学性质均一，各项热物性参数不随温度、时间变化；电池内部热流量均匀产生，总生热量在电池单体及模块中心；忽略电池内部热对流和热辐射的影响；电池单体及正负极极耳的生热速率恒定[9]。

3.2 ICEPAK仿真实例

以某一纯电动客车为例，共有4个动力电池包，每个电池包内共80个单体电池，采用上层2并16串（32个单体电池），下层2并24串（48个单体电池）。现模拟后车厢内两个尾对尾的电池包在舱内的温度场。参照实验室测试条件：100 A放电3.6 h，环境温度为25.8～29.1℃，充电能量、放电能量分别为198.248 kW·h、188.555 kW·h，将两个电池包放置在没有强制散热条件下的环境中，即处于自然对流换热环境下。采用ICEPAK模拟软件，根据电池包外形尺寸建立1：1仿真模型（部分细节适当简化）。为了防止计算区域cabinet的缺省边界影响计算结果的准确性，一般需要建立足够大的计算区域：沿着重力方向，发热器件顶部需要有2倍器件高度以上的计算区域，器件底部需要有一倍器件高度以上的计算区域；器件四周需要有0.5倍器件高度的长和宽的计算区域，且计算区域边界设置为开放边界，即cabinet6个面均为opening[10]。

首先建立电池单体三维模型，使用block建立电池的内核和电池的正负极极耳，使用带厚度的enclosure建立电池壳体。由于采用自然对流换热，为了更好地收敛，残差因子中压力项设为0.7，动力项设为0.3[11]。根据实验室环境平均温度，设定环境温度为27℃。指定正负极耳材料分别为铝和铜。根据式（4）和式（5）得出试验设备对电池包的充电能量E1及电池包对外部负载的放电能量E2之差即电池包内阻的发热量。由于充放电电流相近，充放电过程中电池包发热功率可视为一致。根据实验室测试320个单体电芯的充放电能量差，通过式（6）计算出单个电芯发热功率为4.21 W。根据电芯的产品规格书，设定单体电芯的温度极限为55℃。采用realizable k-εTwo-equation模型迭代计算100次，单体电芯的温度分布云图如图1所示，电池单体最高温度出现在中心区域。

式中：P1为试验设备对电池包的充电功率；U1为充电过程中电池包的端电压；I1为充电电流；P2为电池包对外部负载的放电功率；U2为放电过程中电池包的端电压；I2为放电电流；r为电池包内阻。

图1 稳态下单体电芯的温度云图

然后建立电池模块及电池包，电池包外壳采取plate拼接的方式。单体电芯与单体电芯间实际存在多处细小空隙，为了顺利求解偏微分方程组，将单方向上多个细小空隙根据等体积原则简化为一个缝隙。采用realizable k-εTwo-equation模型迭代计算50次，两个电池包的模拟结果如图2和图3所示。

图2 电池包1/2切面温度分布云图

图3 电池表面温度分布云图

实验室测试结果显示6个电池单体的温度在34～35℃范围内；14个电池单体的温度在35～36℃范围内；34个电池单体的温度在36～37℃范围内；21个电池单体的温度在37～38℃范围内；5个电池单体的温度在38～39℃范围内。对比图2和图3和实验室测试结果可知，温度范围及分布基本一致，均为34～40℃左右，由此证实了ICEPAK模拟电池包热场分布的可靠性。此外，模拟和试验结果均表明，电池单体最高温度40.27℃还需降低，单体间最大温差6.27℃还需缩小。

3.3 电池包散热结构改进

由于自然对流的冷却效果极其有限，而液冷又存在着管道排布、后期维护等问题以及冷却液渗漏等风险，因此，在结构优化时采用相对简单且成本较低的强迫风冷。基于前述电池包模型，在每个电池包正上方引入空调风，在电池包内产生强迫对流。在ICEPAK模拟中，在同一位置采用三洋24 V DC 92 mm×92 mm×38 mm冷却风扇，根据冷却风扇规格说明书，设置风扇几何参数并输入风机特性曲线。保留原有电池包模型参数设置及网格参数、求解器设置，迭代计算50次，重新对两个电池包的温度分布进行模拟。

由模拟计算得到的温度分布云图可知，电池单体最高温度降低到37.61℃，单体间最大温差缩小到3.5℃；改进后的电池包模型有效地使电池单体最高温度降低了2.66℃，使单体间最大温差缩小了2.77℃。由此可知，在恰当的位置引入空调风或使用冷却风扇进行强迫对流，可以有效地控制电池单体最高温度及单体间最大温差。另外，底层电池不会由于自然对流流经的冷却空气少而热量聚集，这进一步提高了电池包的整体一致性，从而降低了电池包热失控的风险，保障了电动汽车的安全运行。

4 结束语

本文通过对某10.5 m纯电动城市客车电池包的合理简化，建立了适合求解的ICEPAK电池包简化模型，设置合理的求解器迭代计算得到实验室测试条件下的温度分布；通过与实验室测试结果作对比，验证了CFD的可靠性；针对自然风冷的电池包进行散热方式的改进，通过引入合适的风机来降低单体电芯最高温度及单体电芯间最大温差。通过ICEPAK模拟软件对电池包的热场进行仿真，为电池包的热设计提供了参考。

[1]Khaligh A，Li Z.Battery,ultracapacitor,fuel cell,and hybrid energy storage systems for electric,hybrid electric,fuelcell,and plug-in hybrid electric vehicles:State ofthe art[J].IEEE transactions on Vehicular Technology,2010,59（6）：2806-2814.

[2]李新宏，薛慧娟，李亚辉.磷酸铁锂动力电池可靠性与安全性问题研究[J].新材料产业，2011（12）：22-27.

[3]冯竟阳.磷酸铁锂电池包温度分布特性仿真方法研究及热管理系统设计[D].青岛：青岛大学，2013.

[4]车杜兰，周荣，乔维高.电动汽车电池包热管理系统设计方法[J].汽车工程师，2009（10）：28-30.

[5]贾艳.流体动力学方程组的性态研究[D].合肥：安徽大学，2014.

[6]段瑶娟.动力锂离子电池包热场分析与散热优化研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[7]边东芬.含能量守恒方程的可压缩流体力学数学理论的研究[D].北京：中国工程物理研究院，2014.

[8]段瑶娟.动力锂离子电池包热场分析与散热优化研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[9]李策园.纯电动汽车锂动力电池组温度场特性研究及热管理系统实现[D].长春：吉林大学，2014.

[10]沈帅.纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D].长春：吉林大学，2013.

[11]曹文钢，曹昌胜，宋军，等.基于ICEPAK的电动汽车电池包温度场仿真[J].汽车零部件，2012（12）：63-65.

修改稿日期：2017-05-16

ThermalField Analysis of Power Battery Packs

BaiShengxi,Gu Haisheng,Tang Shuhua
（Suzhou Higer Renewable Energy Automobile Electronic ControlSystem Co.,Ltd,Suzhou 215000,China）

The authors analyze the necessity ofthermogenic controlofbattery packs and the functions and constitution ofthe thermalmanagementsystem.Based on the modelofheattransfer theory,they make a thermalfield simulation forthe powerbattery packs in a 10.5 m pure electric vehicle applying ICEPAK simulation software,and propose the improvementmeasures according to the simulation results.

electric vehicle;battery pack;thermalfield analysis;ICEPAK

U469.72

A

1006-3331（2017）04-0009-03

白晟熙（1992-），女，硕士；热能工程师；主要从事电动汽车电池包热场仿真的研究工作。