电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现_李军求

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锂电池温度适应性与性能模型
锂离子电池低温环境下放电倍率和可释放的容 量显著降低， 而大倍率放电时温升较大， 是其温度适 用性面临的主要问题。 以某型 35A · h 铝塑膜锂离 子电池为研究对象， 实验分析电池温升特性和低温 性能， 并进行电池性能模型适应性研究 。 2. 1 锂离子电池不同充放电倍率温度特性 将电池置于常温下， 充满电后采用不同倍率持 续放电， 可得温升曲线， 如图 3 所示； 电池放空后以 不同倍率进行恒流恒压充电， 可得温升曲线， 如图 4 ［3 － 4 ］ 。 所示 实验表明， 锂离子电池不论充电还是放电， 温升 4C 放电时， 伴随倍率的增大而增大， 电池温升可达
不同生热速率时的生热效果， 具体表现为电池自身 生热或者外部热源加热； 也可以分析对电池产生的
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李军求， 等： 电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现
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λn λs w 其他两个方向 （ y 和 z 方向 ） 的导热系数按照并 联热阻法计算：
p
λx = Lx /
关键词： 电动汽车； 锂离子电池； 电池热管理； 生热模型
Study and Implementation of Thermal Management Technology for the Power Batteries of Electric Vehicles
Li Junqiu 1 ，Wu Puen1 ＆ Zhang Chengning1
* 国防预研项目（ 104010108 ） 资助。 原稿收到日期为 2014 年 6 月 3 日， 修改稿收到日期为 2014 年 8 月 31 日。
前言
开展了电池热管理设计流程和电池热分析建模方法 用于指导强制风冷和 PTC 加热的电池热管 的研究， 理方案设计， 并通过仿真与实验， 对电池热分析模型 正确性和热管理方案有效性进行了验证 。
2016 年（ 第 38 卷） 第 1 期
汽 车 工 程 Automotive Engineering
2016 （ Vol． 38 ） No． 1
2016004
电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现
1 1 1 李军求 ，吴朴恩 ，张承宁
*
（ 北京理工大学机械与车辆学院， 北京 100081 ）
［ 摘要］ 为改善电动汽车辆动力电池的性能， 尤其是高低温适应性， 基于电池性能模型提出了电池热管理系 实验分析了锂离子电池温升 、 低温性能和电池性能模型的适应性， 运用电池热电耦合和热传导理论提 统设计流程， 出了电池热分析建模方法， 并应用于 PTC 加热和强制风冷的电池热管理系统设计， 仿真得到了电池生热、 散热和加 热的电池温度特性及影响规律， 最后通过实验验证了建模方法的正确性和热管理系统的有效性 。
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汽
车
工
程
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热量进行散热的效果， 具体表现为不同传热系数和 冷却效果。由于受电池工作电流、 内阻和 SOC 等因 素的影响， 热分析模型 如下假设：
［5 ］
具有时变、 非稳态特征， 做
（ 1 ） 各种材料介质均匀， 密度一致， 同一材料比 同一方向热导率相等， 不受温度和 SOC 变化 热容、 影响； （ 2 ） 电 池 内 核 区 域 电 流 密 度 均 匀， 生热速率 一致。
图9
叠片式铝塑膜锂电池内部结构
电池密度采用平均密度法。电池比热容的获取 有理论法和实验法。实验法在绝热环境中通过外部 加热方式获得， 理论法公式为
n n
∑ mi Ci
CB =
图8 SOC = 50% 复合脉冲仿真与实验
i =1
M
=
（ ρi Vi C i ） ∑ i =1
n
（ 2）
∑ （ ρi Vi ）
i =1
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锂离子电池热分析建模
电池热分析模型主要分析不同边界条件下电池
Ci ， 式中： C B 为电池比热容； m i ， ρ i 和 V i 分别为电池 内部不同部分的质量、 比热容、 密度和体积； M 为电 池单体总质量。 由于电池导热表现为各向异性， 通常采用热阻 法。对于上述锂电池， 在厚度方向上 （ x 方向 ） 导热 系数按照串联热阻法计算：
图5
不同温度 2C 放电电池特性
实验表明， 电池充放电倍率、 电压平台和放电容 量伴随温度降低而降低， 例如 － 30℃ 不能实现 2C 放 － 20℃ 时 容 量 减 少 20% ， 电， 充 电 表 现 更 为 明 显， 0℃ 才能 2C 充电， 仅能达到 50% 容量， 因此 0℃ 以下 时， 电池须加热才能提升其性能。
图6 不同温度 2C 充电电池特性
基于上述假设， 长方体外形电池在直角坐标系 下的三维热传导模型为 2 2 2 T T T T （ 1） = λx 2 + λy 2 + λz 2 + q ρc t x y z 式中： ρ 为平均密度； c 为电池比热； T 为温度； t 为时 y 和 z 3 个方向上的导热 λ y 和 λ z 为电池在 x， 间； λ x ， 系数； q 为单位体积生热速率。 求解导热微分方程需要解决三个关键问题： 热 c 和 λ 的获取， 物性参数 ρ， 生热速率 q 的表达和定解 条件的确定。 3. 1 电池热物性参数 车用锂离子电池单体结构有圆柱形卷绕式、 叠 本文 片式铝塑膜软包装以及硬质外壳方形等结构， 中采用最为典型的叠片式铝塑膜电池结构进行实验 研究， 其结构见图 9 。
17℃ ， 4C 充电时温升可达 14℃ ， 因此， 高温环境下大 倍率充放电时更须散热。
图1
电池热管理设计流程
图 3 不同倍率放电电池单体平均温升曲线
电池热管理设计理论基础是电池性能模型和电 池热分析模型。 电池性能模型可模拟电池工况特 征， 获得电池热模型的输入； 电池热分析模型可获得 电池组温度分布特征， 评估电池热管理系统设计的 合理性。在电池热管理仿真分析过程中， 常采用有 进行几何形状构建、 边界定义、 网格 限元分析软件， 生成和求解器求解
式中： λ p ， λn ， λ s 和 λ w 分别为电池单体正、 负极片、 隔 L xn ， L xs 和 L xw 分别表示正 膜和外壳的导热系数； L xp ， 极极片、 负极极片、 隔膜和外壳的长度； L x 为电池单 体的厚度。 3. 2 电池生热速率
［6 ］ 锂电池生热率模型 有 Bernardi 模型、 引入电 Bernardi 电热耦合模型和基于电池内阻的 流密度的
［2 ］
， 方法如图 2 所示。
图4
不同倍率充电电池单体平均温升曲线
2. 2
锂离子电池低温环境下充放电性能
将电池放置在恒温箱中用于模拟电池不同环境 温度， 静止 8h 后， 以不同倍率进行充放电， 图 5 和图
图2 电池热分析仿真方法
6 为电池 2C 充放电时， 不同温度下电池的电压容 ［3 － 4 ］ 。 量特性
1
电池热管理设计流程和仿真方法
在电池热管理设计方面， 美国国家可再生能源 ［1 ］ 实验室做了大量研究 。本文中在其基础上将电池
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李军求， 等： 电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现
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性能模型和热分析模型结合， 采用仿真与实验手段， 得到的热管理设计流程如图 1 所示。
( Lλ
xp
+
L xn
+
L xs
+
L xw
) λ
（ 3）
两方程 kε 模型。 湍流黏度方程为 2 μ t = ρC μ k / ε （ 9）
λz = λy =
L xp λ p + L xn λ n + L xs λ s + L xw λ n Lx
（ 4）
式中： μ t 为湍流黏度； C μ 为经验常数， 取 0 ． 09 ； k 表示 湍流运动能量； ε 表示湍动耗散率。 湍流动能 k 方程为 （ ρU i k ） （ ρk ） － + t x i x i
School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081
［ Abstract］ To improve the performance， in particular the thermal adaptability of power batteries for electric vehicles， the design procedure of battery thermal management system is proposed based on the battery performance model． Experiments are conducted to analyze the temperature rise and low temperature performances of lithiumion battery and the adaptability of battery performance model． By utilizing the theories of thermoelectric coupling and heat transfer in battery， the modeling method for battery thermal analysis is proposed and applied to the design of battery thermal management system with PTC heating and forced air cooling． Simulations are performed and the battery temperature characteristics in heat generation，heat dissipation and heating and their influence law are obtained． Finally，the validity of the modeling method and the effectiveness of the thermal management system are verified by experiments． Keywords： EV； lithiumion battery； battery thermal management； heatgenerating model 电池对温度的适应性成为制约其在电动汽车应用的 关键因素之一， 同时也使电池热管理技术成为保证 电池性能、 使用寿命和安全性的关键技术。 本文中 动力电池作为电动汽车主要储能形式， 其性能 的发挥直接制约了电动汽车动力性、 经济性和安全 在能量密度、 功 性。锂离子电池相比其他类型电池， 率密度和使用寿命等方面具有较强优势， 成为目前 车用动力电池的主流， 但其性能、 寿命和安全性均与 。 ， 环境温度密切相关 温度过高 会加快电池副反应 的进行和性能的衰减， 甚至引发安全事故； 温度过 低， 电池释放的功率和容量会显著降低 ， 甚至引起电 池容量不可逆衰减， 并埋下安全隐患。 因此， 锂离子
2. 3
锂离子电池性能模型
电池性能模型可模拟不同充放电工Leabharlann Baidu下电池电 Thevenin， PNGV 和 压、 电流特性， 常用模型有 Ｒint， DP 等［3］， 其中 DP 模型如图 7 所示。
图7
电池 DP 等效电路模型
通过自定义复合脉冲工况对模型进行验证， 结 果见图 8 ， 表明随着放电电流增大， 电池性能模型的 精度均有不同程度下降， 其中 DP 模型相对于其他 最终确定采用 DP 模型模拟电 模型具有较高精度， 池热分析模型的输入。
[(
μ +
μ t k σ k x i
)
]
=
G k － ρε （ 10 ） 2， 3 ） 分别表示 x， y， z3个 式中： t 为时间； U i （ i = 1 ， v， w； x i （ i = 1 ， 2， 3 ） 分别表示 x， y， z3 方向的速度 u， 个坐标方向； σ k 为湍流动能的有效 Prandtl 数， 其值 取 1 ； G k 为由于平均速度梯度引起的湍动能 k 的产 生项。 湍流动能耗散率 ε 方程为 （ ρ U i ε ） （ ρε） + － t x i x i