智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 36|回复: 0
收起左侧

[电池材料] 基于多物理场耦合的动力电池组热性能分析

[复制链接]
发表于 2020-8-24 16:16:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
【汽车材料网】基于多物理场耦合的动力电池组热性能分析
来源:期刊-《沈阳理工大学学报》;
作者:刘  莹,祝振林,于成龙,乔  鑫
(华晨汽车工程研究院 前期开发部)

摘要:建立某型电动汽车电池包热场和流场的耦合仿真模型,并进行相应对标测温实验,校验了仿真模型的有效性和准确性。以电池放电倍率、冷却系统入口空气流量及温度为变量,通过电池热流耦合仿真分析发现:放电倍率的升高,将导致电池组最高温度与温差相应上升;冷却空气质量流量的增加和入口空气温度的降低,会不同程度你的降低电池整体温度,同时加大电池不同区域间的温差,扩大电池自身温度分布的不均匀性。基于上述分析,本文向设计部门提出了关于某型电动车动力电池包风冷系统参数的改进方案,有效降低了电池包放电时的最高温度,改善了电池包的温度分布均匀性,使该型电动汽车动力电池包的热管理性能达到了设计性能和安全要求。
关键词:电池包; 热管理; 多物理场耦合分析; 热场; 流场; STAR-CCM+; ABAQUS


伴随世界范围内环境、气候及能源问题的加剧,以电动汽车为代表的新能源汽车已是未来汽车发展的必然趋势。而纯电动汽车因其零污染的特性更是受到业界青睐,为此各大汽车厂商都将大量资源投入到了纯电动汽车的研发之中[1]。动力电池作为纯电动汽车的动力核心,其在新能源汽车的研发中至关重要。动力电池的充放电会产生大量热量,这将导致其自身温度快速升高,当电池温度过高时,其使用寿命、容量、电压均衡性等会受到严重影响,如果电池充放电温度长期高于可承受温度上限,更会给整车安全带来巨大隐患。同时由于动力电池自身特性,通常要求电池组内局部温差小于5℃[2],可见,电池组的热管理在其开发设计中尤为重要,因此,对动力电池进行散热性分析是不可或缺的。北京工业大学的冯能莲等人对圆柱状电池的新型蜂巢式液体冷却散热结构进行了传热特性仿真分析[3] 。中南大学的谭春华等应用针刺实验方法,并用电热模型对温升过程进行分析[4];华南理工大学的刘霏霏等人基于电池内阻温升特性,考虑耦合正负极耳的热影响,建立了生热速率的时变内热源分析模型[5];合肥工业大学的赵韩等人基于电池组温度场仿真分析对电池组的散热通道进行了改进,从而提升了电池组的散热效果[6];北京低碳清洁能源研究所的巴黎明等从电池内部发热机理角度,建立了一个高功率锂离子电池热效应模型并进行了验证分析[7];北京理工大学的齐创等人采用数值模拟方法研究了过充电流对三元锂离子电池热失控行为的影响 [8]。本文以最常见的风冷动力电池为研究对象,应用计算流体力学(computational fluid dynamics)方法建立模拟仿真动力电池放电生热,同时通过风冷降温的热场与流场耦合物理模型,分析电池组温度分布,并深入探讨放电电流、入风空气质量及冷却空气温度对电池组温度分布的影响。


1电池生热理论
由电化学可知,电池充放电产生的总热量可表示为:                                                

Qt为充放电时电池产生的总热量;Qr为反应热,锂离子与电子间发生嵌入与脱嵌所产生的热量;Qj为焦耳热,电流在通过欧姆电阻时产生的热量;Qp为电池的极化热,电池电极表面发生极化现象,由电池平均端电压与开路电压压降产生的热量;Qs为副反应热,过充过放时因发生副反应而产生的热量。

电池散热和生热随时间变化,本文对于电池热场计算,应用非稳态传热能量守恒方程,其数学表达式为:         

式中:ρ表示电池密度,单位为kg/m3;Cp表示电池比热容,单位为J(kg·K);q表示电池生热速率,单位为w;kx、ky、kz分别表示电池材料各个方向上的热导率,单位为W/(m·K)。
因电池包流场中存在湍流,为提高电池流场模拟准确性,本文应用可实现的k-ε 方程进行计算,湍动能、湍流耗散率运输方程分别如下:        
                  

式中:μt表示湍流粘性系数;Pk、Pb分别为平均速度梯度和浮力产生的湍动能生成项;C1ε为模型常数,本文取1.44;C2为模型常数,本文取1.9;μt为湍流粘度;k为湍动能;ε为耗散率。



2电池单体测温实验
为能准确模拟电池充放电时的热场,本文通过热电偶对单体电池各个位置进行温度测试实验,以对标电池热流耦合模型,保证该仿真模型的准确性,测温装置如图1所示,图中灰色部分为绝热保护,避免测温实验受其他换热因素干扰。


为更准确的获得实验数据,本文在电池单体不同位置放置测温点,以热电偶实时监测实验过程中各测温点的温度变化,测温点及热电偶布置如图2所示。



对单体电池分别在0.5C、1C、2C放电倍率下、冷却系统入口空气流量为9.8m3/h、空气温度为6℃的工况下进行测温实验,测得实验数据如图3所示。




3单体电池热流耦合仿真分析与对标
为保证电池包热场模型能准确模拟电池工作时的实际生热状态。本文首先搭建单体电池热场模型,结合前文测温实验数据,验证该建模的准确和有效性,再以此为基础搭建整体电池包生热场模型。
单体电池由电极、隔膜、有机电解液、正极 、负极等组成,其内部结构及电化学反应、换热机理等均较为复杂且对电池与周围换热影响不大,为合理降低仿真计算成本,本文对电池进行热流耦合建模时,基于以下假设:空气为理想不可压缩流体;忽略流体惯性力;电池内部各项热物性参数不随温度变化;结构无热变形;电池内部热量均匀产生;忽略电池组的热对流和热辐射;电池生热速率恒定。
本文电池热场模型可简化为:电池以恒定生热速率生热,同时热量一部分通过电池外壳与空气发生热传递,另一部分热量留在电池内部使其加热升温。
电池在正常工作温度范围内-20到60 ℃时,其充放电时产生热量的主要来源为焦耳热和极化热[9
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则