從電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配及電池包各基本參數(shù)計(jì)算開(kāi)始，對(duì)整個(gè)電池包的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、方案布置和裝配。建立電池模組熱分析模型并導(dǎo)入 COMSOL，與鋰電池模塊電化學(xué)模型耦合進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析，對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化處理，提高熱管理系統(tǒng)的可靠性，提升電池包性能，從而得出一個(gè)合理的電動(dòng)汽車電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，為電動(dòng)汽車電池包的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：熱管理系統(tǒng)；動(dòng)力電池包；電化學(xué)模型；溫度場(chǎng)熱分析

作者：石自浩，韓曉宣   上海理工大學(xué)

當(dāng)前，環(huán)境保護(hù)與節(jié)能減排日益受到重視，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)的主流發(fā)展方向。電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池包如果出現(xiàn)故障將造成嚴(yán)重后果，電池包最容易出問(wèn)題的系統(tǒng)是熱管理系統(tǒng)，因此正確高效的電池包散熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。王陽(yáng) [1] 等人提出了一種適用于集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的電池包設(shè)計(jì)流程；張瑞 [2] 等人在純電動(dòng)汽車電池包箱體模態(tài)分析及優(yōu)化的研究中，運(yùn)用 Workbench 建立了某種形式的電池包箱體有限元模型，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，提取了 1~6 階模態(tài)下的固有頻率和振型；LI Shui[3] 等人在電動(dòng)汽車電池箱的設(shè)計(jì)優(yōu)化中，提出了一種優(yōu)化電池箱機(jī)械特征的方法；BERNARDI[4] 等人提出了一種電池生熱率計(jì)算式，該計(jì)算式基于電池內(nèi)部材料發(fā)熱均勻，為電池包的溫度場(chǎng)仿真熱分析熱源生熱提供了理論依據(jù)。關(guān)于電池包熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究較少，本文提出一種較新穎的設(shè)計(jì)與仿真方法。本文利用 SolidWorks 進(jìn)行三維建模，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 COMSOL 進(jìn)行熱力學(xué)仿真，在確定電池包總成的基礎(chǔ)上進(jìn)行熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)、溫度采集模塊、熱力學(xué)仿真分析和電池散熱系統(tǒng)控制策略 4 部分組成。

01、電池包總成

為充分利用電池箱內(nèi)部有限的空間及合理布置線束，將電池箱分為 2 層：電池模組置于下層，電池管理系統(tǒng)、繼電器、熔斷器及線束置于上層，顯示器置于靠近上層側(cè)箱，如圖 1 所示。電池包內(nèi)根據(jù)設(shè)計(jì)要求共分為 6 個(gè)模組，動(dòng)力蓄電池模組是蓄電池單體的集成形式，它占據(jù)了整個(gè)電池箱的大部分空間，而蓄電池單體的尺寸形狀又由其相關(guān)參數(shù)決定 [5]。圖 2 是電池模塊布置方案。線束合理化設(shè)計(jì)需要滿足電磁兼容和總線冗余要求 [1]。電池包通訊線束由各電池模組經(jīng)過(guò) CAN總線傳輸給電池管理系統(tǒng)（BMS），動(dòng)力線串聯(lián) 6個(gè)電池模組，并通過(guò)總正、總負(fù)輸出端與電池箱上層結(jié)構(gòu)中的線路盒內(nèi)的保險(xiǎn)絲、高壓主正繼電器、高壓主負(fù)繼電器、預(yù)充電繼電器、預(yù)充電阻、電流傳感器相連接。整車電路系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖 3 所示，電池包電路布置圖如圖 4 所示。

圖 1 電池包電器布置總裝配圖

圖 2 電池模組布置方案圖

圖 3 整車電路系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖 4 電池包電路布置圖

02、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前動(dòng)力電池散熱主要有自然冷卻、風(fēng)冷、水冷 3 種形式 [6]。從成本、制造難度、技術(shù)、電池蓄電池持續(xù)放電需求等方面考慮，本文動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式。強(qiáng)制風(fēng)冷可分為串行風(fēng)冷和并行風(fēng)冷?；陔姵匕Y(jié)構(gòu)及電芯排布形式，電池包散熱采用串行風(fēng)冷的形式。本文電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)、溫度采集模塊、熱力學(xué)仿真分析、散熱系統(tǒng)控制策略。

散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

散熱系統(tǒng)包括風(fēng)扇、溫度傳感器、相關(guān)線束等[7]。動(dòng)力電池包風(fēng)冷形式中，散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)分為串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)和并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)，其中串行通風(fēng)結(jié)構(gòu)電芯排布簡(jiǎn)單要求較低，而并行通風(fēng)結(jié)構(gòu)散熱效果較好，但其電芯排布及固定方式較為復(fù)雜。綜合散熱需求，所設(shè)計(jì)動(dòng)力電池包散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)采用串行通風(fēng)形式，如圖 5 所示。電池箱后部側(cè)板設(shè)置 2個(gè) 60 mm×60 mm 的風(fēng)扇，箱體前部設(shè)置有通風(fēng)口，通風(fēng)口設(shè)有百葉窗式防水罩用于電池包防水。

圖 5 電池包散熱系統(tǒng)通風(fēng)結(jié)構(gòu)

溫度采集模塊

溫度測(cè)量方法中，溫度傳感器類型、數(shù)量、測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)量精度等對(duì)電池包散熱系統(tǒng)的控制精度都具有重要影響 [8]。電池管理系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)電池包至少 30% 的單體，而電池包共 108 個(gè)單體，6 個(gè)模組，每個(gè)模組為 18 塊單體，采用 6 個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)。傳感器均勻排布在電池組陣列中間電芯外表面，檢測(cè)電池發(fā)熱量最大的部位。BMS 的每個(gè) BSU 從控采集模塊共采集 18 路電芯溫度，實(shí)時(shí)與 BMU 主控模塊進(jìn)行通訊監(jiān)測(cè)電池包溫度，經(jīng) BMU 分析處理，通過(guò)其 FANOUT 通道控制電池包風(fēng)扇的啟動(dòng)與關(guān)閉，若監(jiān)測(cè)到溫度異常 BMU 將通過(guò) HOTOUT 通道輸出告警或切斷主回路繼電器。

熱力學(xué)仿真分析

熱力學(xué)理論基礎(chǔ)

（1）熱傳遞方式電動(dòng)汽車電池包熱量傳遞方式包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射等 3 種方式 [9]。在電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)醾鬟f方式中，電池內(nèi)部熱流量均勻產(chǎn)生，并將總產(chǎn)熱量作為內(nèi)熱源加載在電池單體；電池里面電解液的流動(dòng)性不好，并且里面輻射換熱的影響很小，所以不考慮電池內(nèi)部的熱輻射和熱對(duì)流，熱量的傳遞主要由熱傳導(dǎo)決定。

熱傳導(dǎo)其向量表達(dá)式為

式中：q——熱流密度；λ ——導(dǎo)熱系數(shù)；? ? t n ——溫度在 n 方向上的導(dǎo)數(shù)；n ——單位法向量。車輪定位參數(shù)影響汽車的操控性和駕駛的舒適性。

（2）動(dòng)力電池?zé)崃W(xué)參數(shù)利用熱力學(xué)和傳熱學(xué)等理論分析電池模組中各單體電池內(nèi)部極電池之間的生熱及傳熱原理，建立傳熱數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用有限元、數(shù)值分析方法或相應(yīng)的試驗(yàn)進(jìn)行模型驗(yàn)證和優(yōu)化。

電池內(nèi)部溫度場(chǎng)計(jì)算公式如下：

式中：T——溫度，℃；ρλ ——電池的平均密度，kg/m3；Cp——比熱容，J/kg·k；λx，λy，λz—— x、y、z 方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)；q ——單位體積生熱速率，W/(m2·k)。

BERNARDI 等提出了一種電池生熱率計(jì)算式：

式 中：I—— 電 流，A；V—— 電 池 體 積，m3；Rr——電池內(nèi)阻，Ω；TdUOC /dT——電池的電壓隨溫度變化的溫度系數(shù)，通常取 -0.5×10-3 V/K。

電池包熱力學(xué)建模

建立熱力學(xué)仿真 SolidWorks 三維模型并通過(guò)數(shù)據(jù)接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)入 COMSOL，利用 COMSOL 電池與燃料電池模塊生成簡(jiǎn)化后的熱力學(xué)仿真模型如圖 6 所示，由 18 個(gè)單體電池、模組殼體、流體組成[3]。

圖 6 電池模組熱力學(xué)仿真模型

熱力學(xué)仿真參數(shù)

（1）定義材料屬性

選用聚合物鋰離子類型、型號(hào) EPC070180SP、典型容量 1 800 mA·h 的軟包電芯，正極為鈷酸鋰材料，負(fù)極為石墨，極耳為銅合金。表 1 為電池模組成部分的各材料參數(shù)。

表 1 電池包模組組成材料參數(shù)

（2）單元網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用自由四面體形式網(wǎng)格，電池包單個(gè)模組共包含 85 153 個(gè)域單元、22 006 個(gè)邊界元和3 440 個(gè)邊單元。經(jīng)過(guò)邊界層設(shè)置，得到電池模組熱分析有限元模型如圖 7 所示，并對(duì)相關(guān)網(wǎng)格面及域進(jìn)行命名，便于之后邊界條件的設(shè)置。

圖 7 電池模組熱分析有限元模型

（3）邊界條件、初始條件及求解器設(shè)置

將溫度、熱流率、對(duì)流、熱流密度、生熱率和輻射率作用于電池模組有限元模型，選擇合適的求解器對(duì)模型計(jì)算。根據(jù)電池內(nèi)部工作電流，由式（3）可計(jì)算得到生熱率，如表 2 所示。

表 2 電池模組電流與生熱率參數(shù)表

溫度場(chǎng)仿真結(jié)果分析

電池在放電工作時(shí)，如果不做散熱設(shè)計(jì)，熱量不能得到及時(shí)散發(fā)，容易造成電池的溫度過(guò)高。而電池的熱量來(lái)自電池內(nèi)部的產(chǎn)熱，影響電池組溫度場(chǎng)的因素有工作電流、間隙、材料以及對(duì)流換熱系數(shù)等，基于電芯和電池模組的排布和設(shè)計(jì)，電池間隙、材料、對(duì)流換熱系數(shù)均取相同的值，在不同放電狀態(tài)、不同風(fēng)扇速度下溫度場(chǎng)的分布，以此來(lái)驗(yàn)證電芯此狀態(tài)下溫度是否在其正常工作范圍。

因此，取電池在 1C、5C、10C、15C 放電倍率時(shí)分別對(duì)應(yīng)的電流 18，90，180，270 A 進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真。為保證電芯在放電時(shí)正常溫度范圍工作，當(dāng)最高溫度上升到 40℃時(shí)需要開(kāi)啟風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行散熱，風(fēng)扇的速度值設(shè)置為 v =5 m/s，電池模組在不同狀態(tài)下的溫度場(chǎng)云圖如圖 8 所示。

根據(jù)不同狀態(tài)下電池溫度場(chǎng)云圖，可以得到電池模組最高溫度和最低溫度。由表 3 可知，當(dāng)電池以 1C 放電倍率 18 A 電流放電時(shí)，在 2 100 s 時(shí)電池達(dá)到最高溫度為 26.2 ℃，此時(shí)不需要開(kāi)啟風(fēng)扇。

圖 8 不同狀態(tài)下電池模組溫度場(chǎng)云圖

當(dāng)電池以 5C 放電倍率 90 A 電流放電時(shí)，在 2 100 s時(shí)電池達(dá)到最高溫度為 40.4℃，相對(duì)電芯正常工作溫度范圍此時(shí)溫度偏高，此時(shí)需要開(kāi)啟風(fēng)扇，相同狀態(tài)之下開(kāi)啟風(fēng)扇，速度為 5m/s，在 1 950 s 時(shí)電池達(dá)到最高溫度為 25.6 ℃，電池在正常溫度范圍內(nèi)工作。當(dāng)風(fēng)扇在開(kāi)啟狀態(tài)下，電池以 15C 最大放電倍率 270 A 放電時(shí)，在 2 100 s 時(shí)達(dá)到最高溫度為 3.8 ℃，電池在正常溫度范圍。

表 3 電池模組不同狀態(tài)時(shí)最高、最低溫度參數(shù)表

電池散熱系統(tǒng)控制策略

電池包散熱控制策略如圖 9 所示。激活電池包，電池包開(kāi)始工作，散熱系統(tǒng)進(jìn)行初始化，與風(fēng)扇開(kāi)啟設(shè)置溫度 40 ℃進(jìn)行比較。高于 40 ℃且低于60 ℃啟動(dòng)風(fēng)扇，加速散熱，保證電池組溫度在正常范圍內(nèi)工作；當(dāng)溫度低于 40 ℃時(shí)關(guān)閉風(fēng)扇；若發(fā)生異常溫度高于 60 ℃或低于 -20 ℃度時(shí)，通過(guò)HOTOUT 通道切斷主回路繼電器。

圖 9 電池包散熱系統(tǒng)控制策略流程圖

03、本文熱管理系統(tǒng)中的散熱系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷的形式，利用 COMSOL 軟件鋰電池與燃料電池模塊建立電化學(xué)模型和熱分析模型耦合，對(duì)電池模組進(jìn)行溫度場(chǎng)仿真分析。當(dāng)把風(fēng)扇速度為 5 m/s 時(shí)，電池模組以最大放電倍率 15C 270 A 的電流放電，在 2 100 s 時(shí)達(dá)到最高溫度，最高溫度為 32.8 ℃，電芯在正常溫度工作范圍 -20~60 ℃之間。通過(guò)以上各模塊的完善設(shè)計(jì)，最終得出一個(gè)合理的電動(dòng)汽車電池包熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。為今后電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)和參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 王陽(yáng) , 寧國(guó)寶 , 鄭輝 . 集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車電池包設(shè)計(jì) [J].汽車技術(shù) ,2011(7):32-35,46.

[2] 張瑞 , 施偉辰 . 純電動(dòng)汽車電池包箱體模態(tài)分析及優(yōu)化 [J]. 汽車實(shí)用技術(shù) ,2018(15):22-25.

[3] SHUI L, CHEN F Y, Garg A, et al. Design optimization ofbattery pack enclosure for electric vehicle[J]. Structural andMultidisciplinary Optimization, 2018, 58(1): 331-347.

[4] BERNARDI D, PAWKOWSKI E, NEWMAN J. A general energybalance for battery systems[J]. Journal of the ElectrochemicalSociety, 1985,132(1): 5-12.

[5] 錢舜田 . 電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與冷卻系統(tǒng)仿真[D]. 杭州 : 浙江工業(yè)大學(xué) ,2013.

[6] 伍發(fā)元 , 吳三毛 , 裴鋒 , 等 . 梯次利用車用磷酸鐵鋰電池成組與管理技術(shù)研究 [J]. 電氣應(yīng)用 ,2016,35(2):64-68.

[7] 姜君 . 鋰離子電池串并聯(lián)成組優(yōu)化研究 [D]. 北京 : 北京交通大學(xué) ,2013.

[8] LU Z Y, Zong Y Y, ZHAO M Y, et al. Modal analysis andoptimization of electric vehicles fast-swap battery box[J]. AppliedMechanics & Materials, 2013, 241-244:1992-1999.

[9] XUE N, DU W, Greszler T A, et al. Design of a lithium-ion battery

pack for PHEV using a hybrid optimization method[J]. AppliedEnergy, 2014, 115: 591-602.