汽车动力电池热传导特征分析与降温控制研究

2021-11-23杨震

时代汽车 2021年22期

杨震

摘要：本文以锂钴电池为研究对象，分析了锂离子电池的生热过程及传热特性，对电池的发热情况做了模型构建，分析了汽车动力电池热传导特征，从而验证了电池热模型的合理性以及相关物理性能变量，基于此进一步分析不同工况下的空气冷却方式对电池组温升的影响，发现强制空调热冷却方式可以大大提高了电池的冷却效果，对汽车动力电池的可持续运行具有重要意义。

关键词：动力电池热特性降温控制

Study on heat conduction characteristics and cooling control of automotive power battery

Yang Zhen

Abstract：This study covers the lithium cobalt electrode. As a part of the research， the characteristics of heat generation in the lithium electrodes are analyzed. In addition， the battery thermal sequence test was carried out， and the temperature rise data of the test and numerical simulation were compared. Based on the further analysis of physical performance obtained by air cooling technology on different working conditions at different temperature levels， it is concluded that the forced air flow cooling technology can significantly improve the battery cooling performance.

Key words：Power battery; Thermal characteristics; Cooling control

1 锂离子电池热特性分析

当前，锂离子电池使用时的主要安全隐患在于高温环境下运行时，电池内部的热量分布不均且散热过慢，这可能导致电池着火或爆炸。造成此问题的主要原因是电池内部的SEI膜在80℃时分解，电极与电解液发生化学反应，进而产生了大量的热能[1]。所以对锂离子电池的热特性进行测试具有实践意义。

1.1 发热系统分析

根据研究发现，锂离子电池的内部电化学反应和物理电阻是电池生热的主要诱因。另外，当发生电化学反应时，锂离子在电池的内部结构之间移动时，将产生内部极化电阻。现代锂离子电池的理论研究表明，锂离子电池在使用过程中产生的总温度由以下成分组成：反应温度Q1，内部极化电阻Q2，由欧姆电阻产生的内部电阻热Q3，以及副反应热能Q4。设锂电池的实际总热功率为Qtotal，则有如下公式[2]：

常用的理论计算方法是根据Bernadi于1985年提出的电池内部热能均匀分布的前提下，以此构建电池生热模型，该假设基于电池内部热源稳定且产生的热量均匀分布，通过不断试验，生热速率可以简化为如下所示[3]：

此次试验使用当前的一般理论计算方法估算锂离子电池的生热情况。

1.2 热传导性能分析

以锂离子电池为研究对象，内部电池的传热方法主要包括电池的内部导热性，电池的外部辐射传热以及电池与空气之间的对流传热。同时，锂离子电池所产生的发热情况属于能量转换过程，因此必须遵守能量守恒定律[4]：

其中，Qt表示电池功能作用下产生的总热量;Qa为电池吸热热量，Qb为电池与环境互相传递的热量，△T为温差，则电池本身吸收的热量可以使用以下公式计算[5]：

其中，mi表示电池的微原体质量，C是电池内部比热。由于存在温差所以电池内部会进行热传递，通常由热传导、热对流以及热辐射的形式进行。根据主、次情况不同，因此可以在估算电池的温度时忽略一些热交换情况[6]。

2 温升特性实验

本文在室温为25℃的情况下对圆柱形18650锂离子电池上进行2A、3A、4A和5A直流放电进行了实验。主要测试电池的表面温度。与内部电阻器实验相比，温升测试实验规避了脉冲放电过程，主要是在一定时间内不断对电池放电并输出相关数据，实验步骤如下：

1）在室温25℃下，以正常充电模式对实验锂离子电池充满电，然后放置t时间;2）设置连续放电电流为2A，并根据SOC值累加方法確定连续放电时间为2400秒，以使电池空间处于完全放电状态;3）恒流放电时，每400秒用红外测温仪检查电池表面温度并记录数据;4）放电电流分别为为3A、4A和5A时，连续放电时间设定为2400s、1800s、1440s，重复实验步骤并相应地调整记录时间，分别约为200s和150s。

实验结果显示如图1所示：

分析可知在相同的放电时间内放电电流越大，电池表面的温度越高。

3 电池组热模型和空气冷却仿真分析

通过CFD对给定恒定电流的电池冷却形态进行模拟，分析电池组在不同放电电流和冷却条件下的温度升高特性。选择放电电流为2A、3A、4A和5A，在模拟动力电池冷却时，冷却空气被认为是密度等定的流体。

3.1 电池组模型

为了确保网络质量并提高计算速度，电池组的网络模型使用组织化网格划分方法将模型分为多网格形式。电池和流体的网络数量为189587，节点数量为171328。

3.2 电池组冷却仿真

参考流体系统的传递情况，流体的流动状态主要包括层流和湍流。流体以层流的形式流动的特征在于流体仅根据轴向运动，以湍流形式流动的流体在各个方向都有速度，没有特殊的规律[8]。雷诺系数Re通常用于定义流体流动状态。本部分试验进风口主要参数（湍流）如表1所示：

3.3 不同冷却条件下锂离子动力电池组热特性分析

通过以下两个工况条件来分析和讨论电池组的温升特性：1）25℃的环境风在电池4A和5A放电时的温度变化;2）20℃空调风下以4A和5A放电的温度影响。

3.3.1 环境风对流冷却方式

环境风温度冷却方法利用自然界中的自然风来冷却电动汽车的电池，并且周围的风温与电池所在的环境温度基本相同，在此部分中设定的环境温度为25℃。

（1）将冷空气温度设定为25℃，并将冷却入口的流体流速设定为2m/s和4m/s。在这些条件下，电池将以4A的恒定电流放电600秒。

（2）将冷空气温度设定为25℃，并将冷却入口的流体流速设定为2m/s和4m/s。在这些条件下，电池以5A的恒定电流放电600秒钟。

3.3.2 空调风强制对流冷却方式

空调风冷却来自于电动汽车内部的冷却设备。设定空调的冷却空气温度为20℃，电池的工作环境温度仍然为25℃，流体流速分别为2m/s和4m/s。当空调风速为2m/s时，电池内的极端温度为47.28℃和35.16℃;风速以4m/s通过时，电池的最高和最低温度分别为44.53℃和32.7℃，这表明温度较低的空气风的冷却效果要好于环境风，较高的风速可以提高冷却效果。比较空调风进行电池制冷和环境风制冷后電池组的温度变化如表2所示。

4 结论

通过Fluent软件对电池组在室温冷却、环境强制性热冷却以及空调强制性冷却情况下的温度变化模拟研究，得出以下结论：

（1）无冷却条件下电池组工作时随着放电电流增加，电池组温升越高;

（2）放电电流为5A，环境风冷却后电池组最高温度为48.82℃和44.53℃，电池组冷却效果明显提升，环境风风力越强冷却效果越好;

（3）放电电流为5A，空调风冷却后电池组最高温度为47.28℃和41.56℃，风速强度冷却效果优于环境风温度，空调风冷却效果好于相同工况下的环境风，但温差更大，冷却效果不均，温度梯度明显，需着眼于电池组整体温控效果进行改进。

参考文献：

[1]胡红霞. 混动汽车的动力电池热管理系统研究[J]. 内燃机与配件，2020（01）：228-229.

[2]朱晓庆，王震坡，WANG Hsin，王聪. 锂离子动力电池热失控与安全管理研究综述[J]. 机械工程学报，2020，56（14）：91-118.

[3]黄富霞，赵津，袁征，等. 动力电池微细通道散热数值分析研究[J]. 热科学与技术，2020，19（04）：347-352.

[4]姚程宁，丹聃，张扬军，等. 基于电池热管理系统的微通道热管阵列的传热性能[J]. 科学通报，2020，65（31）：3485-3496.

[5]王中林. 动力电池外壳激光焊接试验分析[J]. 焊接技术，2018，41（07）：11-13.

[6]冯能莲，马瑞锦，陈龙科，等. 新型蜂巢式液冷动力电池模块传热特性研究[J]. 化工学报，2019，70（05）：1713-1722.