商用电动车电池模组热管理研究

摘 要：文章在已有的研究成果基础上，提出搭建特定模型分析电池模组产热情况的研究思路，并结合有限元仿真计算方法，进一步探究基于不同环境温度条件，电池在不同恒流倍率工况下的热流特性。研究结果表明，根据仿真分析结果所提出的电池模块风道改进方案，可以有效降低电池模组最高温度，同时解决内部温度分布不均匀问题，能为后续优化商用电动车电池设计提供参考。

关键词：商用电动车 电池模组 热管理

电动车电池模组长期处于高温条件下，不仅会加剧电池、隔膜等部件老化，也会随着电池温度不断升高或隔膜损坏严重而引发电池热失控现象，导致电池容量降低，缩减电池使用期限。若未能及时处理上述情况，则会导致电池燃烧、爆炸等安全事故发生。因此，本文提出一种利用有限元仿真计算的方法，对不同恒流倍率工况下的电池模块热特性进行仿真分析，结合仿真结果，提出改进电池模组风道方案，降低电池模组最高温度，同时解决内部温度分布不均匀问题。

1 电动车电池模组热管理研究现状

通过分析电动车电池模组运行情况，得知导致电池热失控原因主要涉及两方面，分别是电池温度过高和隔膜损坏严重。当电池模组处于高温环境下运行时，则会加剧电池及隔膜老化，在一定程度上也会降低电池容量，且无法恢复，导致电池寿命缩短；一旦有大量热量在电池模组内部积累，不仅会造成电池局部温度升高，也会引发电池短路、热失控等隐患，增加电池燃烧、爆炸等事故发生概率，威胁人的生命安全。目前电池模组热特性逐渐成为商用电动车电池散热性能优化研究的切入点，以提高电池模组安全性和可靠性，降低商用电动车热失控发生燃烧、爆炸等安全事故发生概率，进而开发出兼具经济性与安全性的商用电动车[1]。

其中电池热管理是现阶段电动车热安全性研究方面所关注的重点，从现有国内外研究成果来看，大部分研究工作重点均指向电池产热和散热方面，部分学者提出利用热耦合模型对锂离子电池的电化学性能进行分析，得知锂离子电池的接触内阻是导致电池产热现象出现的主要因素。通过进一步研究电池工作生热特性，发现可以利用特定的电池生热速率模型获取关于电池工作生热特性的参数，前提是必须保证电池内部生热热源稳定性以及电池组分布均匀性。各方面性能表现较好的电池，处于放电状态时，伴随过电势浓度低现象，其混合热可以忽略不计。由此可知，电池温度与分布情况对电池寿命及安全性有着直接影响。从电动车电池组的热性能与使用寿命两方面展开研究，发现不同类型电动车均存在电池组温差过大时，会降低电池组容量的情况；并通过开展相关试验研究，确定了将电池组内部温度控制在30℃-40℃范围内能够有效缓解电池组容量急速降低的情况。

通过深入研究电池热特性，以相关理论为支撑，提出利用锂离子电池集热模型预测混合动力型车辆的锂离子电池组热特性，从研究结果来看，对冷却系统中的风道宽度、流体流量等参数合理设置，或者为电动车配置具有加强散热性能的冷却系统，不仅可以防止电池组温度突然升高，又能对电池组温差起到有效控制作用。其中部分研究人员根据上述结论，提出以热仿真方式探究改进锂离子电池原有冷却结构（强制风冷系统）的可行性，仿真结果表明，电池组最高温度得到相应降低，且电池间的温差也明显缩减，说明改进冷却结构有利于提高电池组散热效果，可以增强电动车电池的热安全性和热可靠性。相较于乘用车，商用电动车面临着极为复杂的工作条件，对电池的热安全提出更高要求，研究商用电动车电池模组热管理并改善电池模块热特性是目前主要任务。

2 基于商用电动车的电池模组热管理方法

2.1 搭建电池组模型

2.1.1 计算锂离子电池产热的模型

基于充放电情况下，当电池内部有不同化学反应发生时，会引起热行为和电池内阻现象，致使电池产生焦耳热，该过程即是锂离子电池生热原理。其焦耳热主要包括电化学反应热、电解液分散热等。在确保电池内部生热热源和电池组部分的稳定性和均匀性前提下，搭建电池组速率模型，通过该模型计算工作条件下的电池生热速率。其计算公式如下：

式中表示充放电状态下电池的电流，A；表示电池组中单个电池的体积；表示单个电池对应的开路电压；表示单个电池的端电压；表示热力学温度；表示温度影响系数，计算中取值0.04mV/K。其中锂离子电池生热原理中的电池内产生不同化学反应时对应的焦耳热、可逆反应热分别用（）、表示[2]。在此基础上，获得电池的生热速率以及产热结果。可用下述公式进行表示：

式中可替换

2.1.2 选择与设置电池模块参数

通常情况下，商用电动车电池总容量有最低额定标准，最小电池容量不低于140kW·h。假设，电池模块能量为40kW·h，若想保证其工作稳定性，并满足不同工作条件的供电需求，电池模块配置数量不得少于4个。同时以排列方式将多个电池模块组合在一起，形成电池模组。

依据所掌握车架信息，组成规格为2×6的电池模组，需要电池模块12个，采取串联方式将各电池模块进行连接，电池单体数量总计120个，电池模组电压设置为192V。为了使电池模块参数设置符合商用电动车输出电压标准，进行串联的电池模组最少为3个，当前电池模组电压即可达到576V。可以根据具体情况，调整串联电池模组数量，直至电池模组电压符合商用电动车输出电压标准。

综合考虑单个电池极柱效应对整个电池模组温度场影响，虽然无较大影响，但在选择和设置电池模块参数时，仍要考虑该方面影响因素；在搭建模型阶段，需要简化处理电池模块中的每节单个电池（呈方形状的磷酸铁锂电池）。锂离子电池模块参数设置参考表1。

结合表1所选择和设置的锂离子电池模块参数，将其在仿真软件中输入，将获得规格为200×130×36的电池模组，其中单个电池额定电压、电池容量设置为3.2V、105Ah。

此外，将耦合传热作为模型中电池模块与电池模块壁面相接触部位的边界条件，在结合具体研究要求，调整该边界条件的各项数据，为后续分析电池模组热流分布情况提供参考依据。

2.2 商用电动车电池模块基于不同恒流倍率条件下的热特性仿真

为了确保仿真计算结果准确性，需要在仿真分析前，根据锂离子电池模块热特性，设置多个热流场数值分析条件，通过对比不同分析条件的仿真结果，以确定商用电动车电池模块稳态热特性。将电池模块中单个电池设置为均匀发热体，当温度发生变化时，其热特性参数、电池生热速率均不会受到影响；因流体边界压力为零，在仿真计算过程中可以忽略其惯性力。考虑商用电动车电池模块在不同恒流倍率条件下，其对应的电池生热速率也存在一定差异，在此基础上分析电池模块在0.5C-1C的恒流倍率工况下的热流特性，确保分析结果准确性。设置进风口速度与温度参数，分别是2.5m/s、35℃，观察电池模块热流场分布情况。

从原模型电池模块最高温度对比情况来看，环境温度为25℃时，0.5C恒流倍率工况对应的原模型电池模块最高温度为301.97K；1C恒流倍率工况对应的原模型电池模块最高温度为320.49K。环境温度为35℃时，0.5C恒流倍率工况对应的原模型电池模块最高温度为312.05K；1C恒流倍率工况对应的原模型电池模块最高温度为328.71K。

（1）根据仿真计算结果，当环境温度为25℃时，商用电动车电池模组最高温度上升至47.49℃，二者温差为22.49℃[3]。

（2）当环境温度为35℃时，商用电动车电池模组最高温度上升至55.71℃，二者温差为20.71℃。

（3）从温度分布情况来看，电池模组内部温度分布高度呈不均匀状，与出风口距离较近位置，该位置电池温度明显高于进风口位置的电池温度；与风口同一侧的电池模组温度分布则是较为均匀。

（4）从流体分布情况来看，前期进风口速度为2.5m/s，随后电池模组内部最大风速升至4.48m/s，对比进、出风口位置的风速，进出口风速较大。

（5）从0.5C恒流倍率工况与1C恒流倍率工况各自对应的电池模块温度变化情况来看，当环境温度为25℃时，0.5C恒流倍率工况下的电池模块温度明显低于1C恒流倍率工况电池模块温度，二者温度差为18.52℃；当环境温度为35℃时，同样存在上述情况，二者温度差为16.66℃。不同恒流倍率工况下电池模组温度升高原因，与恒流倍率增大时，电池生热速率也随之发生改变有着直接关系。

3 电池模块风道改进方案

3.1 电池模块风道改进方案可行性

结合上述仿真分析结果，在此基础上提出两个商用电动车电池模块风道改进方案，以电池温度降低效果为评估指标。改进方案内容如下：

一是，增加进、出风口的数量，原进、出风口数量各自均有3个，将其调整至各5个，以此解决电池模组温度高和高度分布不均匀问题。（方案A）

二是，重新调整电池模组的风道，在其左右两侧各增加进风口5个，上下两侧各增加1个出风口。（方案B）

（1）设置进口初始温度：35℃；进口风速：2.5m/s。从上述两种方案的热流场仿真计算结果来看，与原有电池模组的散热结构相对比，采用方案A后，在1C恒流倍率工况下，环境温度为35℃时，从电池模组截面温度云图来看，电池模组温度得到相应降低，但最高温度也仅是比原电池模组的散热结构降低3℃左右；虽然该改进方案的采用，改进电池模块风道后，使电池模组温度适当降低，但由于电池模组两侧温度仍较高，温度分布不均匀问题未解决，与原电池模组散热结构温差分布也仅是相对缩小，与出风口中间部位相靠近的电池模块，其温度降低程度最为明显。该方案中使最高风速增大，且高于原电池模组散热结构，由此可知，风速适当增加，有利于提升电池模组散热性能。

（2）采用方案B后，在0.5C恒流倍率工况下，环境温度为25℃时，原模型电池模组最高温度（热力学温度）为301.97K；方案A电池模组最高温度为301.18K；方案B电池模组最高温度为300.45K。环境温度为35℃时，原模型电池模组最高温度（热力学温度）为312.05K；方案A电池模组最高温度为312.05K；方案B电池模组最高温度为310.45K[4]。

在1C恒流倍率工况下，环境温度为25℃时，原模型电池模组最高温度（热力学温度）为320.49K；方案A电池模组最高温度为315.39K；方案B电池模组最高温度为311.89K。环境温度为35℃时，原模型电池模组最高温度（热力学温度）为328.71K；方案A电池模组最高温度为325.59K；方案B电池模组最高温度为321.89K。

（3）从上述各模型电池模组最高温度对比情况来看，电池模组处于1C恒流倍率工况下，方案B的散热效果明显由于原模型和方案A。环境温度为25℃时，采用方案B后，当前电池模组最高温度仅有38.89℃，与原模型电池温度模组温差为8.6℃，说明采用该方案改进电池模组风道后，可以使最高温度不超过40℃。环境温度为35℃时，电池模组最高温度为48.89℃，与原模型电池温度模组温差为6.82℃，采用该方案改进电池模组风道后，可以使最高温度不超过50℃。从各模型电池模组内部温度分布情况来看，方案B电池模组内部温度分布更加均匀，在一定程度上能够解决原电池模组散热结构所存在的内部温度分布不均匀问题。

（4）结合不同恒流倍率工况下的各模型电池模组最高温度对比结果，相较于原模型的散热结构，改进方案A或方案B军均能有效降低电池模块最高温度；且方案B降温效果优于方案A。且采用方案B后，可以实现在降低电池模块最高温度基础上，解决电池模块内部温度分布不均匀问题。基本确定无论是在常温或是高温条件下，方案B在电池模块最高温度降低和缓解温度均匀分布情况两方面均有着一定效果。

3.2 结论

物理破坏试验是过去检测商用电动车电池模组热安全与老化性能主要采用的方式，但检测周期较长；本文提出一种利用有限元仿真计算的方法，并搭建测试模型，在电池模组前期开发阶段进行仿真试验，解决产品试制次数过多而导致开发成本增加的问题，同时又能利用该模型进一步探究上述两种改进方案的可行性，根据分析结果，得出以下结论：（1）从电池模组热流分布情况来看，电池模块内部温度分布不均匀现象较为明显，与进风口靠近的电池模组温度明显低于靠近出风口电池模组的温度。（2）随着环境温度升高与恒流倍率增大，会直接导致整个电池模组温度负荷变大[5]。（3）对原电池模组的散热结构进行改进，增加进、出风口数量，在一定程度上使电池模块温度适当降低。（4）将进风口在电池模块上的分布位置进行调整后，明显增加了风速，有效改善了电池模块内部温度均匀分布情况。

综合上述内容，针对常温或高温环境条件，电池在不同恒流倍率工况下的热流特性变化情况，得知随着温度升高和电流倍率增加，会使电池模组温度发生改变，伴随温度过高和内部温度分布不均匀现象。在此基础上提出改进电池模块风道方案，即在其左右两侧各增加进风口5个，上下两侧各增加1个出风口，达到增加最高风速和电池模块中空气粒子流动密度目的，以降低电池模组整体温度，解决温度分布不一致问题。

4 结语

综上所述，商用电动车具备可观的经济性和安全性，有利于提高商用电动车销售量以及增强市场竞争力，其中电池模组热管理则是影响商用电动车这两项条件的关键因素。本文提出搭建电池组模型以及配合电池模块热特性仿真等方法，进一步研究处于常温和高温状态下电池模组最高温度与分布情况，在此基础上提出针对性改进建议，为商用电动车电池模组热管理优化提供参考。

参考文献：

[1]高大威，付静江，王聪昌.纯电动车动力电池包结构轻量化设计[J].公路交通科技，2023，40（06）：203-210.

[2]邓志勇，韦瑶，郑开淼.商用电动车电池模组热管理分析[J].内燃机与配件，2023（02）：1-4.