姚丽君
(远景睿泰动力技术(上海)有限公司，上海 200120)
电动汽车的动力电池一般是三元锂离子电池。通常是由很多个三元锂离子电芯(下文简称电芯)构成动力电池模组，再由多个动力电池模组通过不同的串并联方式构成动力电池包。温度是影响动力电池性能的关键因素之一，动力电池的最佳工作范围，一般认为是15～40 ℃，当超出此温度时，动力电池的性能会受到影响[1]。另外，动力电池包内各电芯的温度一致性过低，也会影响动力电池的性能[2-4]。
例如，对于同一电芯，监测其在不同环温度下容量从SOC 100%衰减至80%，当其处于环境温度55 ℃时，衰减速率是环境温度25 ℃的23倍；
针对另一款电芯，当电芯剩余容量均为90%时，处于环境温度35 ℃环境中输出的可用容量仅为环境温度为25 ℃时的一半[5-6]。
动力电池包根本上而言是由几十个，甚至几百个电芯通过不同的串并联方式构成。每一个电芯的单体性能都影响着动力电池包的性能，且最差的电芯性能最终决定着动力电池包的性能，这就是著名的“木桶效应”[6]。因此，给动力电池配置额外的保温隔热系统，对其进行保温或者隔热，是提高续航里程、保护电池寿命的好方法，也为电动汽车在寒冷环境中的使用及普及，提供了解决措施。
首先利用计算流体力学原理[7]，针对某液冷方式的动力电池包进行温度场进行仿真分析；
其次设计锂电池组的保温系统[8-10]，并对其进行仿真分析，仿真结果显示：增加保温系统后，低温环境下，电池温升快，降温慢；
高温环境下，电池温升慢，降温快；
且能够平衡电池包温度场均匀性，提高电芯温升一致性，为动力电池热管理的设计提供依据，降低动力电池开发成本。
电芯是由内部电解质、正负极片、隔膜等多种部件构成，各部件又是由不同的材料构成，这就形成了电芯材料多样化，且不同的工况条件下电芯及其所处的周边环境换热条件也是多样复杂的，所以为了方便对动力电池包进行热仿真模拟，对其内部的电芯仿真模型做出一些假设和简化[11]，具体如下：
(1)假设电芯为规则长方体几何模型；
(2)假设电芯为均匀实体，忽略内部物质之间的换热；
(3)假设电芯的产热为均匀分布的稳定值；
(4)假设电芯内部所有材料的热物性参数相应温度下的恒定值；
(5)假设电芯正常工作温度范围内，不考虑电芯的热辐射。
2.2 锂电池产热模型
采用Bernardi生热速率公式来推算电池的发热功率，Bernardi生热速率的理论公式[12]，如公式(1)所示：
Φ=-ItdE/dT+I(E-V)
(1)
动力电池的生热量可以分为化学反应产生的热量和欧姆内阻产热或者不可逆反应产生的热量两部分，-ItdE/dT是动力电池的可逆反应产热，I(E-V)表示的是不可逆反应热，I是动力电池充放电电流，E是锂动力电池的开路电压，T是锂动力电池内部温度，V是工作电压。
2.3 锂电池产热模型
选取某品牌88 AH电芯为研究对象，电芯原材料是NMC，容量88 AH，导热系数为27.6 W·m-1·K-1。比热为1 191.4 J·kg-1·K-1，密度为2 605 kg·m-3。
根据公式(1)推算25 ℃温度下电芯1 C放电发热功率为13.13 W。
3.1 仿真结果
由上述88 Ah电芯组成的某电动汽车电池组额定电压350 V，采用液冷方式冷却，动力电池包结构示意如图1所示。
图1 电池包结构的侧视图Fig.1 Cross section view of battery pack.
仿真模型如图2所示，主要包括动力电池包上盖、动力电池模组、导热材料、动力电池包下箱体(含液冷板)。
图2 电池包仿真模型Fig.2 Simulation model of battery pack.
冷却介质为50%乙二醇，设置电芯温度为25 ℃，冷却液温度为25 ℃，冷却液流量为10 L·min-1，电芯发热功率为13.13 W，导热材料导热系数为1.8 W·m-1·K-1。
仿真时间设定为3 600 s，计算稳定后的温度云图如图3所示。其中，电芯最大温度为45.3 ℃，最大温差2.5 ℃。
图3 1 C放电3 600 S后电芯温度分布云Fig.3 Diagram of cell temperature after 1 C discharge 3 600 s.
3.2 试验验证
室温25 ℃下，电芯首先进行标准循环充放，静置后充电到SOC为100%。试验开始以1 C放电到截止电压。温度采样点为各电芯上部中间，通过预埋热电偶进行温度采集。
试验结果如图4所示，电芯温差2 ℃，1 C放电3 600 s后，电芯最大温度47.5 ℃，电芯最大温差3.5 ℃。
图4 电芯温度Fig.4 Cell temperature.
如图5所示，试验温度值和仿真温度值趋势基本一致。表3说明了仿真和试验结果对比，电芯最大温度和最大温差均在5 ℃以内，证明仿真模型可用。
图5 电芯温度仿真和试验对比Fig.5 Simulation result in comparison of test.
表3 仿真和试验结果对比Table 3 Comparison of simulation with test result.
根据上述图1所示动力电池包结构，由于其箱体横梁、纵梁和动力电池包下箱体直接连接，为铝型材结构件，外界环境会通过这些铝型材结构件构成的传热路径，与动力电池模组进行热交换，如果没有热隔离设计，电池包容易受到外界环境影响，造成电池包低温漏热大、高温温升快、温差大。具体见图6、7所示。
图6 低温传热路径示意Fig.6 Schematic diagram of low temperature heat transfer path.
图7 高温传热路径示意Fig.7 Schematic diagram of high temperature heat transfer path.
4.1 保温隔热系统
根据上述动力电池包结构及传热路径，开发设计此电池包的保温隔热系统。
此保温隔热系统主要由导热系数低于0.04 W·m-1·K-1的材料构成，厚度5 mm，包覆在动力电池包结构外侧，如图8所示。实际应用过程中，动力电池包上盖是和电动汽车的下车身贴合在一起，所以动力电池上方不需要设计保温隔热系统。
图8 保温隔热系统示意Fig.8 Schematic diagram of thermal insulation.
4.2 仿真结果分析
4.2.1 低温环境预热
动力电池包在-20 ℃环境下进行加热性能仿真，电芯初始温度为-20 ℃，冷却液温度设定为30 ℃，冷却液流量设为15 L·min-1，仿真时间6 h。
由图9和图10可知，2 h以内，加装保温隔热系统，可使电芯最小温度相对提高10 ℃左右。电芯的温差最大可减小6 ℃。
图9 电芯最小温度升温对比Fig.9 Comparison of minimum temperature rise of cell.
图10 电芯温差对比Fig.10 Comparison of cell temperature difference.
4.2.2 极寒环境静置
将整个动力电池包设置于-30 ℃环境中，电芯温度开始于25 ℃，对动力电池包进行热仿真，仿真时间12 h。电池单体最低温度的变化可以反映电池保温隔热系统的性能。由图11可知，加保温隔热系统的电池系统电芯降温时间会延长，整体较不加保温系统的电芯降温时间延长50%左右。
图11 极寒环境电芯降温结果Fig.11 Cooling results of cells in cold environment.
4.2.3 高温环境静置
仿真采用某高温地区12 h的环境温度作为边界，在此环境温度下进行高温静置仿真。处于高温环境中的电芯初始温度28 ℃，仿真时间12 h，模拟电池系统高温暴晒工况。图12显示，电芯最大温度低于环境温度，且带保温电池系统温度低于不带保温电池系统温度。
图12 高温静置12 h电芯温度变化曲线Fig.12 Change curve of cell temperature in 12 h of high temperature environment.
4.3 仿真与试验对比
本文仅对极寒环境静置进行试验验证。首先将带有保温隔热系统的动力电池组置于25 ℃环境中，静置至所有电芯温度为25 ℃，且电芯最大温差不超过2 ℃。然后将整个电池系统置于-30 ℃温箱中，进行静置降温测试。温度采样点为各电芯上部中间，通过预埋热电偶进行温度采集。
图13 极寒工况静置仿真与试验对比Fig.13 Comparison of static simulation and test results in cold environment.
由于动力电池包置于温箱中进行静置，而温箱是通过风机来进行降温，会在整个温箱中产生一定的风速，加速动力电池包的散热速度。所以仿真结果整体较试验结果偏高，尤其最初的1 h，试验中电芯降温速度较仿真快，静置初期电芯初始温度较环境温度温差大，温箱内的风速会加速电芯的降温速度。
同时可以观察到静置前6 h，试验温差结果大于仿真结果。这是由于试验过程中，受限于风机位置，导致电芯温差偏大。随着静置时间的增加，电芯温度和环境温度的温差逐渐减小，动力电池组温度逐渐接近环境温度，且温差逐渐减小，并趋于稳定。在后续的工作中可以结合风机速度，强制对整个仿真模型进行对流换热系数的修正，提高仿真精度。
电池发热计算值及仿真精度符合工程计算要求。仿真结果证明动力电池组保温系统能够有效增加低温预热速度，保温隔热系统保温效果较明显，2 h内可使得电芯温度相对增加10 ℃，电芯温差最大减小6 ℃；
极寒环境下，保温隔热系统能够延长保温时长约50%；
高温辐射环境下，保温隔热系统能够有效阻绝高温环境的地面辐射对电芯的温度影响。