fsad罗玉涛;郎春艳;罗卜尔思
【摘 要】低温环境下锂离子电池的充放电性能急剧变差.文中以16节37 Ah锂离子电池组成的电池组为研究对象,设计了一套加热系统,该系统主要包括加热源电加热膜、传热介质变压器油和保温隔热层二氧化硅气凝胶板等.文中利用ANSYS软件建立了锂离子电池组加热装置的有限元模型,模拟分析了该加热系统对电池组的加热效果,并通过试验验证该加热方式的有效性及安全性.结果表明:不同低温环境下,预加热到0℃以上的时间呈线性变化趋势,在极限低温-30℃下预加热时间为35 min,在一般低温-10℃下预加热时间为12 min,加热效果明显;预加热后,电池组放电电压平台升高,较好地改善电池组的放电性能;通过油液循环或静置方式可将电池之间的温度均匀性保持在3℃以内. 【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(044)009
【总页数】7页(P100-106)
【关键词】低温环境;锂离子电池;电加热膜;加热
【作 者】当铺网罗玉涛;郎春艳;罗卜尔思
光耦电路【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640;华南理工大学机械与汽车工程学院,广东广州510640
【正文语种】中 文
【中图分类】U469.72
锂离子电池组热管理系统是动力电池系统的重要组成部分，影响着电池的寿命、容量、安全等性能[1].目前，关于锂离子电池组热管理的研究主要集中在散热方面，即通过风冷、液冷、相变材料等方式来降低锂离子电池在运行过程中的温度，而关于低温环境下热管理的研究相对较少[2].锂离子电池在低温环境下的充、放电性能会急剧变差.随着电动汽车应用地域范围的逐渐增大，锂离子电池在低温环境下凸显出的问题日渐明显.需要重视对低温环境下的锂离子电池进行加热[3-4].
目前关于锂离子电池加热的方式主要有内部加热和外部加热.Stuart等[5]对锂电池进行内部加热，分别使用60 Hz低频交流电对铅酸电池、1020 kHz高频交电流对镍氢电池进行加热，该加热方式时间短、效率高，但有引起电池内部性能变化、寿命减低等风险.Salameh等[6]利用珀耳帖效应对电动汽车的电池进行加热实验研究.李兵等[7]将热敏电阻加热带布置于电池箱内壁，通过传热对锂电池包进行加热，该方法具有不会过热、安全可靠、节约电能、升温较快等优点.潘成久等[8]将电加热膜贴于每块电池单体的单个侧面进行加热，其加热效果较好，但会对单体散热产生影响.张承宁等[9]将宽线金属膜贴于电池单体的两个较大侧面进行加热，该方法的温度均匀性、加热效率等较好，但需要精确地控制系统，在一定程度上会影响电池单体的散热.Song等[2]采用热空气对电池组进行预加热，经过预加热后行驶里程变大，加热效果明显，但结构较为复杂.文中将电池组放置于充满变压器油的电池箱体内，提出了一种将电加热膜贴于电池箱体底面进行加热的方法，采用有限元法建立了加热模型，并通过仿真分析该加热方法的有效性，最后通过试验验证其安全性及正确性.
文中提出的将电加热膜贴于电池箱底面进行加热的装置如图1所示.电池箱由元件区、电池模组区组成，元件区布置油泵、过滤器、油管接头及控制器等元件，电池模组区放置电池.电池箱体壁面为钢板、二氧化硅气凝胶板(保温层)、钢板3层板结构，中间加入保温材料，
以保证电动汽车在低温环境下短时间停车时，温度不会快速降低到0 ℃以下，避免频繁加热.在电池模组区，锂离子电池组浸泡在变压器油中，变压器油有灭弧、绝缘作用，保证了锂离子电池浸泡其中的安全性，同时在电池单体表面布置传感器，用来检测锂离子电池的表面温度.
该低温加热方法的具体工作过程为：电动车长时间夜间停泊在低温环境下，白天启动之前，当传感器检测到锂离子电池表面温度低于0 ℃时，将该信号传给控制器，控制器控制开关接通电加热膜电源，对锂离子电池进行预加热；当电动车运行在极限低温温度下时，放电倍率较低、电池产生的热量较小，若电池温度低于0 ℃，则启动加热装置进行加热.同时设置加热循环系统，当加热结束后，电池单体之间的温差在5 ℃以上时，启动油液循环系统，以改善其温度均匀性，加热循环系统可以与冷却系统并用，冷却系统采用有散热器的大循环，加热系统采用没有散热器的小循环，文中只研究加热部分.
文中以某公司生产的37 Ah电动汽车用方形锂离子动力电池为研究对象，利用ANSYS软件建立了电池单体热模型和电池组加热装置仿真模型.
2.1 电池单体热模型的建立
为了建立电池单体热模型，需要获取电池单体的热物性参数.文中采用的锂电池为锂离子电池，基本参数如下：标称容量为37 Ah，标称电压为3.65 V，长、宽、高分别为148、27、97 mm，密度为2 228 kg/m3.锂离子电池的热物性参数一般通过数学模型计算获得，根据文献[10]得到锂电池内核各部分的相关参数，如表1所示.
其中以集流板平面的法向为x方向，其余两个方向为y、z方向.文中采用文献[11]中方法计算x、y、z方向上的导热系数，即
式中：x、y、z分别为x、y、z方向上的导热系数；Lxi为材料i(i=隔膜、正极、负极、正极集流板、负极集流板)的厚度；Lx为所有材料厚度之和，i为材料i的导热系数.通过式(1)、(2)计算出该锂电池在x方向上的导热系数为0.94 W/(m·K)，y、z方向上导热系数为4.78 W/(m·K).
比热容利用加权平均法计算得到，即
式中，cp为电池单体比热容，m为电池单体质量，ci和mi分别为电池中材料i的比热及质量.最后计算出锂电池单体的比热容为1 232.6 J/(kg·K).
2.2 其他热物性参数的确定
建立电池组加热装置仿真模型，除了要正确建立锂电池单体热模型，还需要获得电加热膜、二氧化硅气凝胶板、变压器油等热物性参数.
2.2.1 二氧化硅气凝胶板
文中用二氧化硅气凝胶板作为电池箱体中间夹层的保温材料，其厚度为7 mm、密度为160 kg/m3、比热容为549 J/(kg·K)、导热系数为0.020 W/(m·K).
2.2.2 变压器油
变压器油的热物性参数参考文献[12]中所给出的数据进行计算，密度为960 kg/m3、比热容为1 510 J/(kg·K)、导热系数为0.157 W/(m·K)、运动黏度为0.005 m2/s.
2.2.3 电加热膜
电加热膜的热物性参数采用文献[13]中相关参数，采用某厂家生产的电加热膜，其厚度为1 mm、密度为790 kg/m3、比热容为920 J/(kg·K)、导热系数为0.4 W/(m·K)、生热率为0.43
8 W/cm2.
2.3 电池组的加热物理模型
电池模块区中的电池组由16个电池单体串联而成，将其分成两排布置在固定板的限位槽中.排与壁面距离为20 mm，两排间距为10 mm，电池单体间的间隙均为5 mm，固定板与电池箱体底部的距离为10 mm.电池两排模组前后端因需要连接模组充放电线、两排电池串联用铜排等装置，各预留72.5 mm空间.实际电池组的结构比较复杂，在建立物理模型时需要对其进行简化，前、后端的预留空间处填满了各种形状不规则的装置，左、右侧有充放电线等，把电池组围在内部空间形成独立的温度场.为降低建模难度，文中先省略四周各复杂装置，壁面与电池间距设置为10 mm再进行模拟仿真，同时简化电池单体正负连接极片、固定板、固定支架及正负极柱等结构，并假设电池的比热容和密度均为常量.摄像机标定
模型的网格划分在ANSYS Meshing模块中完成，电池组、电加热膜、变压器油全部处理为结构化网格.文中根据模型的特点完成几何分割，再通过由面及体的拉伸方法完成网格的划分.网格模型共计208 382个节点、197 100个网格单元.
2.4 电池组加热模型边界条件的设置
整个系统的热量传递包括箱体内部变压器油与电池的对流换热和热传导、箱外冷空气与箱体表面的对流换热和热传导.将网格模型导入Fluent中进行边界条件的设置.由于箱内变压器油不进行强制循环，因此边界条件仅涉及流固耦合边界、壁面边界和热源3个方面.首先，流固耦合边界包括电加热膜和变压器油耦合以及变压器油与电池组的耦合，由于所划分的网格共节点，Fluent中将自动生成Wall和Wall-shadow自动耦合这些边界进行换热；其次，在加热的过程中变压器油的各部分存在温差，温度高的变压器油因密度有微弱减小而有“浮升”效应，密度相对较大的变压器油因重力项而有“下沉”效应，从而形成箱体内部自然对流流场.依据Bous-sinesq假设[14]，将变压器油密度设置为Boussinesq密度以模拟真实流场.另外，壁面边界包括外部冷空气与箱体表面的对流换热，设置为一般空气对流换热系数10 W/(m·K).
锂离子电池在低温环境下的充放电性能均有一定程度的衰减.在0 ℃以上放电时，放电曲线不会出现波谷、波峰.当环境温度降低到0 ℃以下时，电池的活性物质无法得到充分利用，电极极化严重，电池内阻增大[15].在0 ℃以下充电时，锂离子可能会在负极表面沉积还原，形成锂结晶导致电池短路，充电变成困难的行为[7].为保证锂离子电池的寿命及安全，锂离子电池进行充放电时温度至少保持在0 ℃以上.文中根据以上设计的加热方法，仿真分
架构调整
析不同低温环境下预加热到0 ℃以上所需要的时间.
脉康合剂3.1 加热检测点
在冬季夜间，电动车会长时间停留在室外，其电池组温度停止，运行温度逐渐下降.清晨启动电动车之前，锂离子电池组会因温度过低而不能启动，此时需要进行预加热.文中通过仿真验证所提加热方法的有效性，通过设置温度检测点来观察电池表面温度，具体如图3所示.其中，2、4、6、8为所在电池侧面中间部位，1、5为电池侧面顶部，3、7为所在电池侧面底部，9为电加热膜中心.
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