電動汽車電池組熱特性研究

張留銘，黃培龍，張振裕，丘裕峰，賈錳，錢宇晨

(華南理工大學(xué)廣州學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510800)

0 引言

近年來，以石油、煤炭和天然氣為主的石化能源出現(xiàn)了前所未有的危機(jī)，除其儲藏量不斷減少外，更嚴(yán)重的是科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，石化能源在使用后產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w作為溫室效應(yīng)氣體排放到大氣中后，人為地導(dǎo)致了全球變暖，引發(fā)了人們對未來社會發(fā)展動力來源的廣泛關(guān)注和思考。當(dāng)前，隨著電動汽車相關(guān)技術(shù)的研究與推廣應(yīng)用，動力電池、驅(qū)動電機(jī)和電控技術(shù)都取得了突破，純電動汽車品質(zhì)明顯提升，使消費(fèi)者的目光從燃油車開始轉(zhuǎn)向純電動汽車。鋰離子電池作為電動汽車的核心部件，具有功率密度高、電壓高、自放電小、高低溫適應(yīng)性強(qiáng)循環(huán)壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，高溫對電池的充放電性能、儲能能力、壽命等特性有很大的影響。因此，需研究電池組放電時產(chǎn)生的熱量，并進(jìn)行分析，在充放電過程中，鋰離子電池會釋放大量熱量造成工作環(huán)境溫度升高，較高的溫度條件會導(dǎo)致電池的工作性能顯著下降，加速電池老化，降低電池壽命[2]。本文作者通過分析鋰電池的溫度特性，針對鋰電池生熱問題進(jìn)行分析和計算，對于鋰電池在不同放電時間的溫度變化，利用該模型模擬仿真鋰電池放電過程中表面溫度及釋放熱量，討論了電池?zé)崽匦訹3]。

1 建模與仿真分析

1.1 數(shù)學(xué)建模

文中的研究對象是圓柱形鋰離子電池，為了方便計算，令電池內(nèi)部活性材料分布均勻、產(chǎn)熱分布均勻、物質(zhì)材料特性各向同性，基于單體圓柱形鋰離子電池在充放電過程的熱特性建立數(shù)學(xué)模型，該電池的熱量控制方程可表示為：

式中:ρ為平均密度；T為電池溫度;kT為導(dǎo)熱系數(shù)；t為時間；q為電池單位體積生熱速率；冷卻空氣u、v、w沿x、y、z方向的速度。

電池生熱速率計算公式為：

式中:U0為電池開路電壓；U為工作電壓；I為電流；V為電池體積。

1.2 建模驗(yàn)證

選取特斯拉所用的電池單體鋰電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，并繪制電池溫度變化曲線圖，針對數(shù)學(xué)模型仿真前設(shè)置好相應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，分別為直徑為18 mm、高度為65 mm，直徑為21 mm、高度為70 mm，直徑為46 mm、高度為80 mm。仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 仿真結(jié)果

1.3 動力電池結(jié)構(gòu)方案確定

電動汽車動力電池組中，在布置方式相鄰兩個單體間的間距相同條件下，相鄰兩單體間的布置方式與間隙如圖2所示。

圖2 相鄰兩單體間的布置方式與間隙

單體的高度、直徑對電池?zé)峁芾淼奶匦詴a(chǎn)生重要影響。選取4組不同5×4方式鋰電池，即每組電池組共5排，每排4個單體，分別設(shè)計并研究了不同組中單個電池直徑、高度大小不同的方案。

高度不同、直徑不同下的電池溫度曲線的圖。即18650、21700、46800這3種電池型號下的電池溫度曲線圖的研究分析比較。

1.4 計算結(jié)果分析

分別建立18650、21700、46800這3種型號的電池組模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，設(shè)置環(huán)境溫度為25 ℃，電池能量為4 A·h,電池組體積為0.42×10-3m3,研究不同型號電池組的溫度曲線,如圖3所示。

圖3 不同型號電池組的溫度曲線

由分析得出18650電池型號最高溫度53.167 5 ℃,電池平均溫度為34.529 4 ℃。21700電池型號最高溫度43.079 2 ℃,電池平均溫度為30.060 6 ℃。46800電池型號最高溫度24.419 6 ℃,電池平均溫度為21.920 1 ℃。其中18650型號電池最高溫度最高。46800型號電池最高溫度最低。其中18650型號電池平均溫度最高。46800型號電池平均溫度最低。由圖可知46800型號電池產(chǎn)生的熱量最少，其直徑、高度都是這3種電池型號最大。

2 結(jié)論

圓柱形鋰離子動力電池組在正常工作時產(chǎn)生很多熱量影響電池使用性能，電池的高度、直徑對電池的散熱特性有重要影響，文中針對該問題進(jìn)行了以下研究：

(1)建立了電池?zé)崃W(xué)數(shù)學(xué)模型，分別以18650(直徑18 mm、高65 mm)、21700(直徑21 mm、高70 mm)、46800(直徑46 mm、高80 mm)這3種電池型號進(jìn)行研究分析。

(2)以COMSOL為仿真平臺，分析了3種電池在正常工作時的表明溫度云圖，研究了3種電池在正常工作時的平均溫度及最高溫度，根據(jù)溫度的變化情況繪制出了電池溫度隨時間變化的曲線圖。

通過對比COMSOL仿真平臺得出的3種電池組在正常工作中溫度變化數(shù)據(jù)得出結(jié)論：在3種型號的電池組中，46800型號電池組電池表面溫度較為均勻、平均溫度最低、最高溫度也最低，散熱性較好。