摘    要   

鋰離子電池的溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于先進(jìn)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（BTMS）來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，以提高性能并確保電池系統(tǒng)的操作安全性和可靠性。在真實(shí)的應(yīng)用中，由于將傳感器放置在核心內(nèi)部的不切實(shí)際性，電池的核心溫度是不可測(cè)量的，但又必須實(shí)時(shí)地在線估計(jì)。同時(shí)，在大功率應(yīng)用中，由于電池表面與內(nèi)部溫度梯度較大，僅測(cè)量電池表面溫度已不能滿足先進(jìn)BTMS的要求。當(dāng)遇到傳感器偏差和噪聲時(shí)，電池芯溫度估計(jì)將變得具有挑戰(zhàn)性。為了提高電池核心溫度估計(jì)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用基于Rauch-Tung-Striebel平滑技術(shù)和Unscented Kalman濾波的方法對(duì)電池核心溫度進(jìn)行重構(gòu)，以應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)，平滑處理可以有效地進(jìn)一步減小其估計(jì)誤差。通過(guò)優(yōu)化辨識(shí)出非線性熱模型中的不可測(cè)參數(shù)。電-熱耦合模型通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，不同電芯溫度的平均誤差小于1K。

01  前    言 

電池是汽車的動(dòng)力來(lái)源，為行駛中的汽車提供動(dòng)力，并確保電動(dòng)汽車各種儀器的正常運(yùn)行。

目前，鋰離子電池因具有體積小、能量密度高、使用壽命長(zhǎng)、自放電率低和無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。但是，鋰離子電池會(huì)產(chǎn)生很多熱量，電池組中容易形成熱量的積聚，導(dǎo)致每個(gè)電池單元的性能和壽命受損，甚至可能發(fā)生熱失控。隨著科技的發(fā)展，鋰離子電池的能量密度越來(lái)越高，電動(dòng)汽車的續(xù)航里程增加，但每單位時(shí)間產(chǎn)生的熱量也更多，這會(huì)導(dǎo)致電池組溫度分布不均，局部出現(xiàn)過(guò)熱的情況。

無(wú)論使用哪種形式的鋰離子電池，在大功率放電的情況下都會(huì)存在熱失控的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了相關(guān)研究。楊研究了電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池的放電機(jī)制，并研究了強(qiáng)制風(fēng)冷下不同排列電池的特點(diǎn)。陳凱研究了對(duì)稱排列電池散熱結(jié)構(gòu)對(duì)電池組的影響。范義錢發(fā)現(xiàn)，更整齊地排列系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)最佳的溫度均勻性和最低的能量消耗。佩薩拉·艾哈邁德設(shè)計(jì)了一種具有平行和串聯(lián)流的空氣冷卻電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。比較表明，具有平行流的系統(tǒng)獲得更小的電池溫差。Gyouhou等人提出了一種基于物理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM-PINN），用于估算鋰離子電池組的溫度，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)電池溫度變化范圍較大時(shí)，LSTM-Pinn模型的預(yù)測(cè)誤差比LSTM模型小。

為防止電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，需要對(duì)電池組進(jìn)行有效的熱管理控制，實(shí)現(xiàn)高溫散熱和低溫加熱的功能。其中，氣冷成本相對(duì)較低，應(yīng)用范圍較廣。因此，本研究建立的仿真模型以氣體為冷卻介質(zhì)，研究串、并聯(lián)及串并聯(lián)結(jié)合情況下冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)的散熱效果。

02  物理模型

電池單體的熱分析是優(yōu)化電池組散熱的基礎(chǔ)，因此首先要建立合適的電池單體產(chǎn)熱模型。從散熱的角度來(lái)看，圓柱電池具有先天的優(yōu)勢(shì)，這是由于圓柱電池之間的包裝形成了良好的散熱空間。因此，一些配備圓柱電池的車輛采用了成本較低的空氣冷卻技術(shù)，本文也選擇了NCR18650PF圓柱形鋰電池進(jìn)行熱仿真分析和優(yōu)化。

目前，行業(yè)使用電池放電倍率C來(lái)衡量放電速度，并定義1C為電池在1小時(shí)內(nèi)完全放電時(shí)的電流強(qiáng)度。如果一個(gè)標(biāo)稱容量為2700mAh的18650電池在1小時(shí)內(nèi)以1C的強(qiáng)度放電，則放電電流為2700mA。在純電動(dòng)汽車的實(shí)際行駛過(guò)程中，設(shè)計(jì)的電池單元要求能夠持續(xù)承受1C倍率的恒定電流放電，而高于1C的高放電倍率時(shí)間較短，通常是加速階段，長(zhǎng)時(shí)間的高倍率放電也會(huì)給純電動(dòng)汽車的電池組帶來(lái)安全隱患。因此，本文將研究電池在0.5C、1C、1.5C、2C放電倍率下的產(chǎn)熱情況，產(chǎn)熱時(shí)間設(shè)定為電池SOC從0.9下降到0.2所需的時(shí)間，將電池作為恒定的內(nèi)熱源。

 03  仿真模擬準(zhǔn)備  

鋰電池風(fēng)冷模型內(nèi)部為五串三并的電池組組成的加熱元件，每個(gè)電芯的間距設(shè)置為4mm，由兩個(gè)上方的進(jìn)風(fēng)口和兩個(gè)下方的出風(fēng)口組成。進(jìn)風(fēng)口尺寸為74mm×18mm，出風(fēng)口尺寸為58mm×14mm，兩側(cè)有散熱孔，整個(gè)電池組工作在一個(gè)半封閉的環(huán)境中，每個(gè)電池的產(chǎn)熱速率設(shè)置為相同，風(fēng)冷通道的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 對(duì)稱布置的氣冷BTMS原理圖

       在仿真分析之前，以上模型根據(jù)fluent meshing Workflow(WTM)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置方面，選擇雙精度并行計(jì)算，有利于提高仿真計(jì)算速度。在電池表面添加局部尺寸控制，對(duì)出風(fēng)口網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，并在交界面處設(shè)置邊界層，填充Poly-Hexcore體網(wǎng)格以保證計(jì)算精度，系統(tǒng)中網(wǎng)格單元如圖2所示。

圖2 氣冷式BTMS電網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

       為提高模擬計(jì)算速度，同時(shí)保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文對(duì)網(wǎng)格獨(dú)立性進(jìn)行了檢驗(yàn)。利用ANSYS FLUENT軟件設(shè)置電池放電速率為2C，進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為3m/s。以電池組最高溫度和溫差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)量大于2.7×105時(shí)，Tmax和ΔTmax的差異均不超過(guò)0.01K，因此后續(xù)研究采用該網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬。

   04 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)   

進(jìn)風(fēng)口傾斜度

進(jìn)風(fēng)通道傾角的大小關(guān)系到電池組內(nèi)空氣流動(dòng)的均勻性，若傾角過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入內(nèi)部后幾乎平鋪在電池單體的上表面；而傾角過(guò)大也會(huì)相應(yīng)地增加制造成本和空間尺寸。因此，本文探討進(jìn)風(fēng)角度對(duì)電池散熱的影響，將進(jìn)風(fēng)與水平面的夾角從4°逐漸增加到14°，如圖3所示為進(jìn)風(fēng)角度變化對(duì)散熱效果的影響。分析表明：隨著進(jìn)風(fēng)通道傾角的增大，空氣與電池間的對(duì)流換熱效果增強(qiáng)；但增加至9°～10°時(shí)，溫降趨勢(shì)不再明顯，因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)角度的增加不僅會(huì)占據(jù)更多空間，還會(huì)提高制造成本，故本文選用傾角為10°的風(fēng)冷模型。

圖3 進(jìn)風(fēng)口傾角對(duì)電池散熱的影響

進(jìn)風(fēng)口傾斜度

可以看出，對(duì)稱式散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)于非對(duì)稱式散熱結(jié)構(gòu)，因此將模型分為四種類型：兩進(jìn)兩出(BTMS I)；一進(jìn)兩出(BTMS II)；兩進(jìn)一出(BTMS III)；一進(jìn)一出(BTMS IV)。為進(jìn)行單變量研究，將每組實(shí)驗(yàn)的電池組設(shè)置為以2C放電速率、298K室溫工作，風(fēng)道總進(jìn)風(fēng)體積為8×10-3 m3/s，通過(guò)逐一模擬，可以得出圖4所示的進(jìn)、出口布置對(duì)散熱的影響。

圖4 四種BTMS的溫度分布（Q0=8×10-3 m/s3）

可以看出，進(jìn)、出風(fēng)口管道的布局對(duì)電池組的整體溫度分布有顯著影響：對(duì)稱分布的模型溫度呈現(xiàn)出內(nèi)高外低的特點(diǎn)；不對(duì)稱分布又可細(xì)分為兩種情況，當(dāng)進(jìn)風(fēng)口不對(duì)稱時(shí)，溫度較高部位會(huì)集中在進(jìn)風(fēng)口附近；若出風(fēng)口不對(duì)稱，溫度較高部位則遠(yuǎn)離出風(fēng)口集中。
從圖5中四種BTMS的溫度對(duì)比可知，最低溫度均在300 K～301 K之間，說(shuō)明電池組的最低溫度更多地與室溫（298 K）相關(guān)，進(jìn)、出風(fēng)口布置對(duì)其影響較小。從電池最高溫度的變化情況來(lái)看，對(duì)稱布置的模型（BTMS I）的最高溫度要低于其他所有不對(duì)稱模型。在另外三種不對(duì)稱模型中，出口不對(duì)稱對(duì)溫度的影響要大于進(jìn)口不對(duì)稱，而單進(jìn)單出模型（BTMS IV）的最高溫度要明顯高于其他三組。

圖5 四種btms的溫度比較

空氣導(dǎo)向板

分析風(fēng)道結(jié)構(gòu)可知，氣體從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入中心腔體后，經(jīng)過(guò)兩次截面面積變大、變小，流速降低，再加之電池包自身形狀的阻擋，造成靠近氣、電池包的氣流速度小于進(jìn)口風(fēng)速，最終導(dǎo)致氣、電池表面換熱不均勻，影響最終散熱效果，因此需要在中間加裝導(dǎo)流板以減小上述影響。針對(duì)該模型設(shè)置了兩組模擬：加裝中間導(dǎo)流板與不加裝中間導(dǎo)流板。對(duì)比圖6（a）和6（b）可以看出，加裝導(dǎo)流板前整個(gè)電池包溫度最高區(qū)域集中在電池底部，該部位與空氣對(duì)流散熱效果差、換熱性能差，導(dǎo)致該部位溫度明顯高于電池整體，影響電池工作壽命及性能；然而在中間加裝兩塊導(dǎo)流板后，不僅電池包整體溫度降低，底部冷卻效果好，而且整個(gè)電池包溫度最高區(qū)域也移動(dòng)到電池中部，也符合鋰電池本身的散熱效果。對(duì)比圖6（c）和6（d）可以看出，由于加裝了導(dǎo)流板，風(fēng)道主體部分?jǐn)U張導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速降低，而出風(fēng)口處風(fēng)速也相應(yīng)增加，從而加強(qiáng)了整體結(jié)構(gòu)的散熱效果。

圖6 導(dǎo)流板對(duì)散熱結(jié)構(gòu)的影響

圖8 串聯(lián)風(fēng)道溫度分布

圖9 本文設(shè)計(jì)風(fēng)管的溫度分布

如圖10所示，在相同進(jìn)風(fēng)速度下，平行風(fēng)道與本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)道相比，電池的最大溫差要大7.26K，而本文所設(shè)計(jì)的風(fēng)道可以將最大溫差降低到4.68K，且電池包溫度處于300K~306K之間，基本滿足鋰離子電池工作時(shí)的溫度控制要求。

圖10 本文設(shè)計(jì)風(fēng)道的溫度分布

 06  結(jié)    論