新能源汽车单体锂离子电池三维散热模型仿真

王英舜，杨 真

(1.广东科技学院机电工程学院，广东东莞 523000；2.华东交通大学网络信息中心，江西南昌 330000)

1 引言

采用非燃料或添加车载动力装置动力汽车称为新能源汽车，自新能源汽车面世以来，掀起了汽车研发领域巨大变革[1]，新能源汽车具有噪音小、污染物排放、能量转化效率强等优点，新能源汽车的出现降低了大气环境污染指数，可有效延缓厄尔尼诺现象[2]。在新能源汽车多种动力方式中，锂离子电池由于具有储备能量大、经济、便捷和无污染等优点，其使用最为广泛，随着快速充电技术的出现，可在几分钟之内为锂离子电池充电60%左右，但电池的快速充电与放电，使电池结构无法承受温度骤变带来的负担。虽然新能源汽车优点众多，但受其动力装置锂离子电池散热性能影响，使电池内部形成不可修复的容量损耗，导致汽车使用性能较差[3]，因此研究新能源汽车锂离子电池散热特性是提升新能源汽车行业技术水平的首要途径。

目前许多欧美国家均致力于研究锂离子电池使用性能，由于新能源汽车经过长时间充电后，在电池内部形成的温度较高，随着汽车行驶，电池放电过程使其内部材料阻值等发生改变，因此对锂离子电池使用性能研究成果不是很理想[4]。由于锂离子电池受热导致汽车出现起火、电池爆炸等事故层出不穷，严重威胁新能源汽车使用者经济损失和生命安全，为此有效控制锂离子电池温度，充分掌握其散热特性是当前新能源汽车领域重点研究方向之一[5]。

本文通过构建锂离子电池三维热模型对新能源汽车锂动力电池散热特性展开模拟测试，为新能源汽车行业推动提供技术支持。

2 新能源汽车锂动力电池散热特性模拟测试

2.1 锂离子电池物理参数选取与模拟环境设定

新能源汽车锂动力电池由多个单体锂电池组成，本文使用30个单体锂电池组成电池模块，单体电池选择磷酸铁锂型动力电池，电池排列与网格划分如图1所示。

图1 电池排列与网格划分示意图

本文方法使用的锂离子电池电压为35V，使用12个串联和2个并联接口相连接，电池容量为20Ah，单个电池物理参数如表1所示。

表1 单体锂离子电池物理参数

2.2 单体锂离子电池三维热模型构建

2.2.1 单体锂离子电池导热微分方程

根据锂离子电池传热特点，热量从电池中心位置向外部传输，当热量到达电池外部时，接触到空气后以热对流与热辐射的方式消散掉，以达到电池散热目的，电池外部温度和所处环境温度决定了电池热辐射所散发的总能量，当电池外部温度较高而电池所处环境温度较低时，电池热辐射的能量越大[6]，当电池表面温度和其所处环境温度差值低于80摄氏度时，以热传导和热对流方式消散的热量极小，因此对于电池热辐射所消散的能量不予计算。由于锂离子电池是通过多种材料层层叠加制作而成，且各个材料特性不同，因此锂离子电池结构繁琐，为简化锂离子电池特性模拟复杂度，采取质量平均法简化锂离子电池内部与外部，简化后的锂离子电池如图2所示。

图2 锂离子电池简化后示意图

在后续对锂离子电池模拟过程中，将电池内部层层叠加的材料发热体作为一个发热整体，由于电磁材料的导热数值、比热容等数值均具有不可变更性，因此电池在通电过程中，该发热整体内电流分布状态较均匀，不受电压荷载影响。

依据简化后的锂离子电池，利用傅里叶导热定理和能量守恒理论，获取位于坐标系内锂离子电池导热表达式如下

(1)

上述公式中，K、cp、r、P分别表示电池平均密度、比热容、电池半径、平均生热速率，电池径向导热系数为λr，轴向导热系数为λz。其中电池平均密度单位为kg/m3，比热容单位为J/(kg·℃)，电池半径单位为m。

假设电池外部和电池所处环境温度相同是锂离子电池导热表达式初始要素，以第三类边界条件作为该表达式的对流换热边界条件[7]，则其表达公式如下：

(2)

(3)

上述公式中，对流换热系数由k表示，T0表示电池初始温度，T∞则表示电池在持续通电过程中的温度平均数值，且式(2)同时符合条件x=0和x=r，式(3)符合条件x=0和x=h，其中，h表示电池高度。

2.2.2 锂离子电池物理参数计算

依据表1内锂离子电池参数，计算其平均密度、导向系数等相关物理参数。利用电池内层层叠加的材料质量总数和总体积计算电池的平均密度，其表达公式如下

(4)

上述公式中，Kn代表电池内部材料密度，Vn代表电池内部材料体积，V为电池总体积。

由于锂离子电池为圆柱形状，所以其轴向导热系数和径向导热系数数值相差较大，通常来讲，径向导热系数较轴向导热系数低[8]，本文利用多层平板热阻法计算两个方向的导热系数，表达公式如下

(5)

(6)

式中，利用式(5)计算锂离子电池径向导热系数，利用式(6)计算其轴向导热系数。

锂离子电池的比热容与其内部层层叠加的材料相关[9]，本文使用质量加权算法对电池内部材料进行计算，表达公式如下

(7)

利用上述公式获取锂离子电池比热容数值。在计算锂离子电池生热速率时，将电池内部材料生热当作均匀状态[10]，其生热速率表达公式如下

(8)

Zocp-Z=IRj

(9)

对式(8)进行简化，其表达式如下

(10)

依据式(10)可知，充电电流、放电电流、电压受温度影响变化情况以及电池内阻等情况决定了锂离子电池在运行过程中的生热速率[11]。由于电池端电压受放电倍率影响较小，因此本文将电池端电压看作一组常数。

通过锂离子电池参数计算该电池内阻和开路电压数值，利用式(10)获取放电倍率不统一的情况下其生热速率和SOC函数关系[12]，其表达公式如下

(11)

式中，SOC0、I、t、WR分别表示锂离子电池开始放电时的荷电状态、时间、电池额定容量。

3 实验分析

依据2.1小节所设定的模拟环境和锂离子电池物理参数，利用MATLAB仿真软件对新能源汽车锂动力电池散热特性展开模拟，其中锂离子电池性能参数详见表2。

表2 锂离子电池性能参数

设置实验的锂离子电池散热方式为冷却，对于电池向外部散发的热辐射忽略不计，对其实施充电、放电测试，测试本文模拟结果是否具备权威性。设置电池温度和实验环境为20摄氏度，锂离子电池放电倍率分别为0.5、1、1.5、2、2.5 C，测试不同放电倍率下，电池温度变化情况，结果如表3所示。

分析表3可知，随着放电倍率的增加，该锂离子电池最高温度也不断增加，电池放电时间迅速降低，而电池最大温差数值上升速度较快，放电倍率为2.5C时的电池最大温差是放电倍率为0.5时电池最大温差的7.33倍，当放电倍率为2.5C时的电池最高温度较其初始温度高25.36398摄氏度，当该电池位于新能源汽车电池箱体内时，其散热条件降低，电池散热性能较差。综上可知，本次实验结果符合锂离子电池散热原理，因此本文方法具有一定的权威性。

表3 不同放电倍率下锂离子电池温度变化情况

设置不同散热风速情况下，使用仿真软件绘制锂离子电池组串行散热方式与插行散热方式电池的最大温差变化数值曲线，结果如图3所示。

图3 不同散热风速时电池组串行、插行最大温度变化曲线

分析图3可知，随着散热风速的增加，电池串行和插行的最大温度均呈现下降趋势，其中电池串行最大温度曲线数值始终高于插行温度，且呈波动下降趋势，而电池插行温度下降曲线具有线性特点，由此可知，电池的串行排列散热性能低于插行排列。

设置锂离子放电倍率为1.5C，测试锂离子电池组在单向吸风散热方式和单向散热吹风方式条件下的最高温度变化情况，结果如图4所示。

图4 不同散热方式下锂离子电池组最高温度变化情况

分析图4可知，当散热风速相同时，吸风方式下锂离子电池组开始散热时的最高温度高于吹风方式，随着散热风速的增加，吸风方式时电池最高温度要低于吹风方式时电池最高温度，由此可知，当锂离子电池放电倍率为1.5C时，单向吸风散热方式效果高于单向吹风散热方式。

设置风速为4m/s，通风周期为200s，通风方式为单向通风和往复通风，绘制该电池温度变化情况，结果如图5所示。

图5 不同通风方式下锂离子电池温度随时间变化曲线

分析图5可知，不同通风方式下锂离子电池温度曲线随着时间的增加而增加，在该电池开始通风的前45s，单向通风方式与反复通风方式时的电池最高温度曲线完全重合，随着通风时间的增加，反复通风方式下的电池最高温度曲线出现波动上涨趋势，而单向通风方式下的电池最高温度曲线呈现平缓上升趋势，两种通风方式下的电池最高温差为12摄氏度，表示通风周期时间延长时，往复通风方式较单向通风方式散热效果差。

测试锂离子电池组在不同开缝宽度情况下，单向通风方式下的温度变化情况，结果如图6所示。

图6 不同开缝宽度情况下电池温度变化情况

分析图6可知，电池最高温度与其开缝宽度成反比例关系，且降低最大幅度约为10摄氏度，由于电池的开缝宽度改变了空气流动方向，当电池开缝宽度较大时，空气流动方向变化越小，则其破坏电池温度场边界效应越弱，由此可知，电池开缝宽度越小其散热性能越好。

4 结论

本文使用磷酸铁锂型电池组成电池组，对新能源汽车锂动力电池散热特性展开模拟测试，通过研究其散热特性，为新能源汽车行业革新提供技术支持。实验结果表明：本文方法模拟的锂离子电池最高温度与其放电倍率成正比，测试结果符合锂离子电池散热原理，测试结果具有一定权威性；在不同散热风速情况下，电池串行最大温度曲线数值始终高于插行温度；当散热风速相同且锂离子电池放电倍率为1.5C时单向吸风散热方式效果高于单向吹风散热方式；不同通风方式下锂离子电池温度曲线与时间成正比，通风周期时间延长时，往复通风方式较单向通风方式散热效果差。