张鹏 张楠 段德昊

摘 要：某车型电池包箱体空间较小，电池单体的散热效果受结构限制，在极端工况下极易产生电芯高温热失控问题进而影响行车安全。因此在该电池包设计过程中，电芯堆叠热设计就显得极为关键，文章采用Matlab仿真程序，基于戴维南单体电池模型和HPPC测试，完成了某新能源汽车电池包热生热量仿真分析，对比了25℃与40℃环境温度下电池单体在不同工况下的生热性能，为三维电池包热仿真提供必要的输入条件。

关键词：新能源汽车;电池包;HPPC测试;生热量;仿真

中图分类号：U469.7  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）09-22-03

Simulation Analysis of Heat Generation of New Energy Vehicle Power Battery Pack

Zhang Peng¹， Zhang Nan²， Duan Dehao¹

（ 1.Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd. Automotive Engineering Institute， Guangdong Guangzhou 511434;2.Chongqing IAT Automotive Technology Co.， Ltd，Chongqing 400026）

Abstract：The space of a battery pack in a certain vehicle model is small， and the heat dissipation effect of the battery cell is limited by the structure. Under extreme conditions， it is easy to cause the problem of high temperature thermal runaway of the battery cell and thus affect driving safety. Therefore， in the process of designing the battery pack， the thermal design of the cell stack becomes extremely critical. This paper uses Matlab simulation program， based on Thevenin's single cell model and HPPC test， to complete a simulation analysis of the heat generation of a new energy vehicle battery pack. The heat generation performance of battery cells under different operating conditions at 25℃ and 40℃ ambient temperatures is provided， which provides necessary input conditions for 3D battery pack thermal simulation.

Keywords： New Energy vehicle; Battery pack; HPPC test; Heat generation; Simulation

CLC NO.：U469.7  Document Code： B Article ID： 1671-7988（2020）09-22-03

前言

新能源汽车由于布置空间限制，经常会出现电芯堆叠过密的问题，进而会导致电池包内部热量堆积。因此针对电池包的热防护设计在整车热管理中至关重要。

车型开发过程中，电池包环境模拟实验需要待样件制作完成后才可进行，且实验成本高、实验周期长;本文通过仿真的方法可以最大限度的节约实验成本，缩短开发周期。

1 戴维南单体电池模型

本文采用Thevenin模型，包含一个电压源和一个RC并联电路R1和C1构成的回路用来模拟电池的动态过程，这种模型考虑到了电动势与SOC之间的关系在电池热分析中应用较为广泛。

其中Voc_bat-电动势 U bat-端电压 I bat-电路电流 Rs-等效电阻 R1-等效极化内阻 C1-等效极化电容。

2 电池单体模型参数

仿真过程中电池单体参数的输入准确度直接影响到最终发热量的计算准确度，对于等效RC模型中的等效电阻、等效极化内阻、等效极化电容均通过测试的方法来获取。

将按国标要求充满电的电池，在国标规定的时间和温度条件下，在环境仓中静置，结合Arbin等电池综合性能实验台，按照Freedom CAR  Power Assist Battery Test Manual中HPPC的測试获取如图2所示参数：

锂离子电池荷电状态的变化将引起电解液的导电能力及锂离子浓度变化，本文依次在SOC：100%、90%、80%...20%、10%下共10个SOC状态点完成HPPC工况下的充放电性能测试纪录电池单体在正反脉冲作用下的端电压变化，并计算此时电池内组值。^[9]

温度也是影响锂电池内阻变化的关键因素，电池厂商一般建议电池工作在25℃与40℃直接，因此本文选取25℃与40℃两个温度点进行测试。^[9]

3 仿真模型

根据戴维南单体电池模型，考虑本文电池包模型图1所示：

图3所示等效单体电池模型中相关参数按照如下公式进行计算：

a.充放电功率：

b.等效单体电池模型端电压：

c.单体电池一阶RC电路运算关系：

d.单体电池发热量：

模型中考虑温度为电芯所处的环境温度，工况充放电电流均来源于整车模型仿真上游输入。

4 结果分析

4.1 25℃和40℃ 20个NEDC工况

4.2 25℃和40℃ 23个FTP72工况

4.3 25℃ 40℃ 11个HWFET工况

5 结论

根据仿真结果，该电芯SOC变化不同温度下变化趋势大体相同，电芯再高温环境中产热量更大，低SOC状态下比高SOC状态下产热量有明显增加。

通过热源对于新能源车型，进行电池包发热仿真分析，可在前期给出该电芯产热趋势以及不同温度对其的生热量的影响，并且可以充分评估该电芯搭载不同车型和在不同工况下的表现，更重要的，该仿真分析可以给后续相关电池包模组及整包级的仿真提供较为准确的热源输入。进而在样车试制前进行电芯堆叠以及冷却方式提供先期设计指导，从而达到节约开发时间，节省实验费用的目的。

参考文献

[1] 姜国权.电动汽车动力电池管理系统的研究[D].上海交通大学，2010.

[2] 陶文铨 .《数值传热学》（第2版）[M].西安：西安交通大学出版社.

[3] 沈維道.工程热力学[M]，高等教育出版社，2007（6）：36-40.

[4] 田爽.锂离子电池的特性研究[D]，天津大学，2007.

[5] 魏学哲.锂离子电池内阻辨识及其再寿命估计中的应用[J]，电源技术，2009，33（3）;217-220.

[6] 李方，杨毅夫，杨丽华.HEV用蓄电池输出功率的测试方法研究[J]，电源技术，2009，33（3）;210-212.

[7] 李匡成，杨亚丽，陈涛.用最小二乘法在线估计蓄电池荷电状态[J].电源技术，2010，34（10）;1056-1059.

[8] Mathworks Curve Fitting Guide. Mathworks Tech Note.

[9] 郭宏榆，姜久春，王吉松.功率型锂离子动力电池的内阻特性[J].北京交通大学学报，2011，10（5）119-121.