盘朝奉，李桂权，陈　龙，b，周孔亢

(江苏大学　a.汽车与交通工程学院； b.汽车工程研究院,江苏 镇江　212013)



城市循环工况下纯电动汽车动力电池包温度场分析

盘朝奉a,b，李桂权a，陈龙a，b，周孔亢a

(江苏大学a.汽车与交通工程学院； b.汽车工程研究院,江苏 镇江212013)

针对电动汽车的动力电池的发热问题，将某新型城市微型电动车及其动力电池作为研究对象，对电池模型进行了CFD发热仿真分析，同时使用该整车进行循环工况的转毂实验和电池内阻测试实验，得到电池的实际发热数据，经对比两者较吻合。研究发现:电池组的中心部位过热，主要是由于内部与外界热交换较少，电池单体间虽然有间隙，但空气的导热性较差,流通性不足。

三元锂电池；热分析；温度场；纯电动汽车

电池是纯电动汽车的几大核心部件之一。动力电池经过一段时间的发展，磷酸铁锂电池的能量密度已遇到瓶颈，而三元锂电池(Li(NixCoxMnx)O2)成为了更好的选择。三元锂电池具有镍酸锂的高比容量、钴酸锂的优秀循环性能，以及锰酸锂的低成本及高安全性[1-3]，其超高的能量密度可以缓解续航里程短的缺点，但带来的发热问题却更加严重。过高的温度不仅会影响电池的寿命，更会导致锂电池的正极材料脱落分解、负极与电解液反应、薄膜刺穿等严重安全隐患[4-6]。

文献[7]通过实验验证了仿真过程的正确性，在此基础上用仿真的方法分析了环境温度和道路坡度对锂离子动力电池组温度升高的影响，并得到该电池处于一定环境温度时电池组工作性能最优及电动汽车行驶的地面坡度对电池组的温升影响较大等结果。文献[8]基于某电动汽车三元锂电池，从电池组的角度，对处于不同温度下电池的直流阻抗、容量效率、能量效率等方面进行评测，详细分析了该三元电池组低温特性。结果显示：该三元锂电池在低温下相比于同规格的磷酸铁锂电池具有较高的电性能，如放电功率提高了10%，满足整车低温使用要求。本文针对微型纯电动汽车上三元锂动力电池的发热问题，进行城市循环工况下的实验与仿真，在验证模型可行性的同时，分析了该动力电池处于不同环境时的发热状态，以了解其是否有安全隐患。

1　整车仿真实验及数据的获取

1.1基于电动汽车测试的电池参数的获取

微型电动汽车由于其电池续航有限，其定位主要是面向城市短途用户，这就决定了其主要行驶工况是城市循环工况。运用转毂实验台将整车进行城市循环工况运行，图1为进行转毂实验的某新型城市微型电动汽车和三元锂电池包。同时使用CAN卡采集并记录电池PACK母线电流数据，得到电流曲线(图2、3)和温升曲线图4。

图1　用于转毂实验的微型纯电动汽车

图3　图2方框中的电流和车速的参照

图4　电池内温升曲线

1.2电池直流内阻的测试

动力电池在正常工作时内部的生热主要有4种：反应热、焦耳热、极化热和副反应热。其中反应热和副反应热基本可以忽略，极化热也比较小，因此电池发热主要来源于其焦耳内阻的发热，其发热方程为

(1)

式中：I是通过电池的电流；Rm是电池的焦耳内阻；t是通过电流的时间。

测量焦耳内阻的方法是脉冲功率性能测试法(HPPC)。实验过程：将电池先后置于温度分别为20，25，30，35，40，45，50，55 ℃的恒温箱中加热并静置30 min。同时分别用Digatron电池模拟器进行2C倍率的电流放电，测试记录并计算各温度点的电阻值。内阻测试实验器械及示意图如图5所示。测试数据如表1所示。

用Matlab进行二次拟合之后得到方程

R(θ)=0.0198θ2-1.4172θ+31.7917

(2)

1.3单体电池内部结构的分析及参数的计算

要对电池进行CAE仿真就必须知道电池内部材料的具体参数，这就必须对电池进行拆解分析。拆解后可知单体电池由铜箔、铝箔、薄膜、电解液、铝壳和塑料壳组成，具体结构如图6所示。电池内各成分的参数如表2所示。

① 恒温箱；② 电池组;③ 温度传感器;④ 正负极电缆

温度θ/℃低压/V高压/V压差/V内阻/mΩ20.03.604.510.9110.825.63.634.360.738.730.13.614.240.637.536.13.634.230.607.139.53.64.210.617.345.23.6242.80.667.950.53.634.350.829.855.03.614.641.0312.358.53.635.191.5618.6

① 铝壳；② 铜箔；③ 薄膜与电解液； ④ 铝箔

材料导热系数/(W·(m·K)-1)密度/(kg·m-2)比热容/(J·(kg·K)-1)正极1.5002380710隔膜0.3344921978负极1.0426601437.4铜8933 385398铝2702903238电解液0.451290133.9粘合剂0.1217501120

由传热学原理可知，电池在厚度方向上的导热系数为

(3)

在长度和宽度方向上的导热系数为

(4)

其中:λi是电池内部各材料的热传导率;li是各个材料的厚度。

由于电池内部各成分不一样，故对于整个电池单体内的比热容的计算采用加权平均法：

(5)

式中:m为电池单体的总质量;mi分别为各成分的质量;ρi为各材料的密度;Vi为各材料的体积。现假设电池单体的内部是均质，经计算及整理后得到所有物质的参数，如表3所示。

表3　电池PACK各组件的材料参数

2　模型建立与仿真分析

2.1用CATIA建立简化模型

电池PACK是由4组电池组构成，每组电池分别由6×4×6个单体组成，电池组间距较大，相互之间的热交换较少(图7)。为方便求解，对实体模型进行了相应的简化，只对其中1组电池建立1：1的3D模型并模拟整体电池PACK所在环境，如图8所示。

图7　电池PACK的外观实物

图8　电池PACK及其所在环境的3D模型

由于模型左右对称，利用HYPERMESH对模型左半边进行网格划分，如图9所示。

图9　电池PACK及外部散热场的网格

2.2求解计算

1) 传热模型的数学表达

空间中任意一点任意一个方向的热流量可分解为x，y，z方向的分热流量。依据能量守恒定律，导入的微元体总热流量跟微元体内热源的生成热之和等于导出的微元体总热流量跟微元体热力学能的增量之和，在任意时间间隔内热平衡关系为

(6)

式中：Φin为导入微元体的总热流量,Φin=Φx+Φy+Φz；Φx为x方向导入的微元体；Φy为y方向导入的微元体；Φz为z方向导入的微元体；Φout为导出微元体的总流量Φout=Φx+dx+Φy+dy+Φz+dz；Φx+dx是x方向导出微元体的热流量；Φy+dy是y方向导出微元体的热流量；Φz+dz是z方向导出微元体的热流量。根据傅里叶定律：

式中：Φ是内热源的生热量；ρ为物质的密度，λ是物质的导热率；θ为温度；t为时间；λx，λy，λz分别为x，y，z三个方向上的热导率。

将各表达式整合得到电池的稳态导热微分方程：

(9)

2) 仿真计算

将网格导入到fluent，进行材料、边界条件、发热方程及迭代参数的设置后，对模型进行仿真计算，得到的仿真结果见图10、11和表4。

图10　电池组的发热云图

图11　仿真温度与实验温度对比

时间t/s仿真温度/℃实验拟合温度/℃180010.7110.899360011.3911.770540012.0412.584720013.0013.340900013.2714.0391080013.8614.6811260014.4315.2661440014.9815.7931620015.5216.2631800016.0316.6761980016.5317.0312160017.0217.330

由温度云图可知：模型的内部较热，最高处温升可达到17 ℃左右，边缘处由于与外部存在较多热交换温度相对较低，且上表面温度高于下表面温度，温差可达0.5 ℃。由于实验中传感器均处于电池组的上表面，且几个探头测的温度数据几乎一致(阶跃曲线)，所以表4中实验数据由拟合函数求得。将point 1处仿真温升数据与实验数据对比发现：仿真结果与拟合实验结果较接近，温差基本在1 ℃以内。观察对称面云图可知，温度在远离电池组时会迅速降低，电池组之间的干扰较少，用1组电池(6×4×6个单体)进行仿真具有可行性，说明模型是可靠的。

2.3低温及高温环境下的温度变化

1 ℃城市循环工况下的温度变化见图12～14。

图12　电池单体壁面温度云图

图13　对称面温度云图

图14　1℃环境下温升曲线

55 ℃城市循环工况下的温度变化见图15～17。

图15　电池单体壁面温度云图

图16　Z=17和对称面处电池包温度云图

图17　55 ℃环境下温升曲线

由以上对比可以发现：在相同时间内，处于1 ℃ 的和55 ℃的电池发热均要高于11 ℃的电池，这是由于在这两点处的电池内阻要高于后者的内阻，所以发热更严重。

3　结论

1) 对实验数据和仿真数据进行对比可知：两者的误差基本维持在1 ℃以内，仿真模型是有效的。

2) 电池的内部温度在整个电池组中是最高的，造成这种现象的原因是：电池内部与外界的热交换速度较少，虽然电池单体之间有间隙，但由于空气的热传导系数较低，传热较慢，造成热堆积。

3) 电池在1 ℃和55 ℃时的发热均比11 ℃时严重，主要是由于在1 ℃和55 ℃时电阻较大。

4) 通过分析三元锂电池组的发热情况，为电动汽车动力电池包结构及散热措施的设计优化提供理论依据和评价方法。

[1]JARRETT A，KIM I Y.Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance[J].Journal of Power Sources，2011，196(23)：10359-10368.[2]DUAN X,NATERER G F.Heat transfer in phase change materials for thermal management of electric vehicle battery modules[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(23)：5176-5182.

[3]LU Lan-guang,HAN Xue-bing，LI Jiang-qiu,et al.A review on the key issues for Li-ion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Sources,2013(226):272-288.

[4]袁翔,张毅.动力锂电池阻抗特性的分析和验证[J].汽车工程学报，2014,4(6)：447-454.

[5]李哲,韩雪冰,卢兰光，等.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报，2011,47(18)：115-120.

[6]钟其水,李树军,黄波，等.圆柱18650锂离子动力电池放电及温度特性[J].电子科技大学学报,2014,43(2)：311-314.

[7]李仲兴,李颖,周孔亢，等.纯电动汽车不同行驶工况下电池组的温升研究[J].机械工程学报，2014,50(16)：180-184.

[8]秦李伟,徐爱琴,梁荣荣，等.某电动汽车用三元材料锂电池低温性能研究[J].汽车科技，2015(8)：33-36.

(责任编辑刘舸)

Thermal Behavior Analysis of Pure Electric Vehicle Battery Pack Under Urban Driving Cycles

PAN Chao-fenga, b， LI Gui-quana， CHEN longa,b， ZHOU Kong-kanga

(a.School of Automotive and Traffic Engineering; b.Automotive Engineering Research Institute,Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The heating problem of electric car battery was studied. A new urban mini electric car and its power battery pack were used as research objects. The CFD heating simulation was done and meanwhile, to get the battery’s actual heat data and current date, the vehicle has been tested in the drum to run the urban driving cycle, the single battery’s direct-current resistance has been tested as well. With the repeatedly revision about the model and parameters, similar results were obtained with the experimental simulation results. The result shows that there is overheating of the central portion of the battery pack, which mainly due to less internal heat exchange with the outside world, the poor thermal conductivity of the air and the insufficient flow. Key words: Li(NixCoxMnx)O2battery；thermal analysis；temperature field；pure electric vehicle

2016-03-16

国家自然科学基金资助项目(51105178，51475213);江苏省“六大人才高峰”项目(2013-XNY-002);江苏省自然科学基金资助项目(BK2011489)；上海汽车工业科技发展基金会产学研项目(1533)

盘朝奉(1979—)，男，博士，副教授，主要从事纯电动汽车开发及关键技术研究,E-mail:chfpan@ujs.edu.cn。

format：PAN Chao-feng，LI Gui-quan，CHEN long,et al.Thermal Behavior Analysis of Pure Electric Vehicle Battery Pack Under Urban Driving Cycles[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):6-12.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.001

U469

A

1674-8425(2016)08-0006-07

引用格式：盘朝奉，李桂权，陈龙，等.城市循环工况下纯电动汽车动力电池包温度场分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):6-12.