王佳琪，陈立铎，许佩佩

(1.爱驰汽车(上海)有限公司，上海 200082；2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司天津市电动汽车评价技术企业重点实验室，天津 300300；3.广州明美新能源股份有限公司，广东广州 510000)

随着全球燃油汽车总量不断增加，汽车尾气导致的环境污染越来越严重。化石能源也在不断消耗，可以预见未来会出现化石能源短缺情况。因此，世界各国政府高度重视并支持可以替代燃油汽车的新能源汽车技术及产业的发展。中国汽车工业协会发布的产销数据显示，2019 年我国新能源汽车产销分别为124.2 万辆和120.6 万辆，产销量位居全球第一。

新能源汽车动力电池组热管理很重要，它起着保持电池组内单体之间温度平衡、控制电池组处于适宜合理的工作温度范围等作用。按照热管理策略对电池包内的电池模组进行主动温控，低温时加热升温，高温时冷却散热，科学的热管理使电池组安全可靠并获得较长的使用寿命。

电池组热管理仿真技术研究已相当深入，Yu 等[1]基于Bernardi 提出电池产热速率方程，设计系列实验对电池内阻、热物性参数和温度系数进行测试和仿真，并准确预测电池不同放电倍率下温升。张立军等[2]结合一维电化学产热模型和三维分层模型建立耦合模型，准确预测电池内部各层级温度场分布。Ashkan 等[3]通过建立物理场模型和有限元模型探究电池在不同放电工况下的生热速率特性，以研究结果为依据预测电池发热状况。Guo 等[4]将二维热模型和电化学模型进行组合，通过线性逼近方法求解电池包和单体电池正负极极柱温度场分布。

电动汽车热管理技术及仿真等研究工作大多聚焦在单体水平上，对电池内部温度场研究较为深入透彻。电池包内模组温度场分布情况研究较少。常见电池包内有多个电池模组，每个模组内含多个单体电池，单体电池通过串并方式组合在一起。电池包、电池模组、单体电池有特定容量、尺寸、质量。模组由单体电池、线排(busbar)、端板、侧板、上盖、绝缘罩、绝缘膜、线束隔离板、功率输出端子等部分组成。端板夹紧电池，并由侧板端板焊接固定，电池之间连接铝条采用激光焊接。导热垫位于液冷板和电池模组之间，它是电池加热和冷却时的热量通道[5]，模组内温度场分布可以一定程度上替代电池包内温度场分布[6]。

选用VDA(德国汽车工业联合会)355 标准尺寸模组，对其进行高度方向温度场仿真，并开展实验，测量充放电过程模组底部、上表面、侧板等高度方向各点温度数据。将仿真数据与实验数据进行对比分析。

1 实验

1.1 实验样品

表1 为本文实验所用电池模组性能参数。

表1 锂离子电池模组参数

1.2 仿真测试方法

电池包由上盖、隔热垫、模组、导热材料、隔离铝板、冷却板、支撑材料及壳体下底板构成[7]，电池包结构见图1。电池包内装有N个模组，采用液冷冷却，模组结构见图2。

图1 电池包结构

图2 模组结构示意图

采用Floefd 软件对液冷电池包进行热仿真分析，Floefd可以无缝集成于Catia 软件中，在模型转化、模型处理以及网格、收敛分析步骤中具有独特优势。表2 为仿真模型材料参数设置。

表2 材料设置参数

计算域中设定了两种域。一种是流体域，其中冷却管路中设定为50%乙二醇溶液，入口设置为流量入口，出口设置为压力出口，其余流体域为理想空气；另一种为电池所在的固体域。仿真计算时，将单体电池假定为均匀的发热体。

仿真计算流域设置参数见表3。整个计算周期内为瞬态仿真。

表3 仿真参数设置

图3 为电池系统1C放电工况下发热量曲线，用绝热加速量热仪(ARC)实测单体1C放电工况下发热量。

图3 电池系统1 C放电工况发热量

1.3 测试验证

使用福建星云电子NEEF250 型充放电设备给电池充放电，单通道电压范围50～900 V，单通道最大电流400 A(可设置)。温度采集装置使用日本横河GYL-03-C04 型多通道数据采集仪。

测试验证流程：

(1)12#和24#两个模组按照图4 和图5 温度传感器布点图预埋温度采样线，然后装配到电池包内。测试环境温度25 ℃，充放电过程中开启水冷系统，冷却水温度25 ℃，流量10 L/min；

图4 12#模组温度传感器布点图

图5 24#模组温度传感器布点图

(2)电池包放于25 ℃环境箱内，搁置12 h；

(3)以1C(180 A)恒流放电至单体最低电压2.8 V 时止；

(4)搁置12 h，单体电池温度达到(25±1)℃；

(5)以1C(180 A)恒流充电至单体最高电压4.14 V 止；

(6)搁置12 h，单体电池温度达到(25±1)℃；

(7)以1C(180 A)恒流放电至单体最低电压2.8 V 止。

热敏电阻按照温度系数分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)，本次选用的模组用的是负温度系数热敏电阻。测试模组粘贴了热偶温度传感器。

12#模组表面共布置15 个热电偶，编号79～83 的5 个热偶贴在模组Busbar 上，编号为122～124 的3 个热偶布置在模组侧面，编号为125～129 的5 个热偶贴在模组底面，编号为24 和27 的2 个热偶布置在模组导热垫下表面，用于测量水冷板表面温度。编号117、118 是模组自带的2 个负温度系数热敏电阻，一上一下布在模组中间，用于温度监控。

24#模组表面共布置15 个热电偶，编号29～33 的5 个热偶贴在模组Busbar 上，编号为109～111 的3 个热偶布置在模组侧面，编号为112～116 的5 个热偶贴在模组底面，编号为1 和2的2 个热偶布置在模组导热垫下表面，用于测量水冷板表面温度。编号107、108 是模组自带的2 个负温度系数热敏电阻，一上一下布在模组中间，用于温度监控。

2 结果与讨论

2.1 仿真测试结果

图6 和图7 分别是12#和24#模组仿真热分析的切面温度分布云图。

图6 12#模组切面温度云图

图7 24#模组切面温度云图

从云图看出，模组上部和底部温度差达到10 ℃，与Christophe Forgez 等[8-10]实验数据“电池表面与中心最大温差达到10 ℃”相吻合。电池内部温度场分布不均匀。导热垫上下表面温度差2 ℃。温度场仿真数据见表4。

表4 电池系统内模组高度方向温度场仿真结果

电池模组最高温度是模组上表面的温度，高于环境温度，有16 ℃温差。最低温度是模组底部，贴近水冷板位置。冷却液流动带走了电池放电过程产生的热量[11]。

2.2 测试验证结果

测试1C放电时12#和24#模组及水冷板表面温度，获取电池模组高度方向温度场分布数据。两个模组不同位置温度随时间变化曲线见图8。

图8 模组在1 C放电时的温度曲线

图8(a)为12#模组温度数据，在1C放电过程中，Busbar温度达到45.2 ℃，模组底部温度33.1 ℃，温度差12 ℃。这与仿真结果10.77 ℃接近；导热垫上表面与水冷板温度差2 ℃，与仿真结果2.16 ℃基本一致。

图8(b)为24#模组温度数据，在1C放电过程中，Busbar温度达到45.9 ℃，模组底部温度32.4 ℃左右，温度差13.5 ℃，这与仿真结果10.61 ℃接近；导热垫上表面与水冷板温度差2 ℃，与仿真结果1.84 ℃基本一致。模组侧面高度方向温差1 ℃，上表面与高度方向温差小于5 ℃，底面与高度方向温差小于8 ℃。基点为上表面、侧面和底面的最高温度，三者间互相进行比较得出。

12#、24#模组仿真和实测温度数据比对说明仿真模型是适用且符合实际。12#和24#模组各布了3 个点，对这3 个点的温度进行比较得出：侧面高度方向温差在1 ℃以内。

3 结论

通过电池模组热仿真及验证测试，获得放电时模组温度场分布数据。室温(25 ℃)开启流量为10 L/min 水冷系统，电池1C放电时，实测模组上表面最高温度45 ℃，最高与最低温度差12 ℃，与仿真结果一致；模组导热垫上下表面温度差2 ℃，也与仿真结果一致。模组侧面高度方向温差1 ℃，上表面与高度方向温差小于5 ℃，底面与高度方向温差小于8 ℃。