电动汽车模块化动力电池组的低温预热分析∗

（西南交通大学先进驱动节能技术教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

作为新能源电动汽车的动力来源，电池组在其行驶时为其提供动力，它在保证车的性能和可靠性方面起着关键作用。当锂电池在环境温度很低的情况下使用时，其内部的电解液粘度增大，活性也有所降低，电池自身的容量会减小，电池寿命缩短，最终导致整车性能衰减，极端低温下车辆无法启动。锂电池在低温环境下凸显的问题亟待解决，因此，对锂电池低温预热的研究是十分必要的［1～2］。

目前，锂电池低温预热的方式大体上可以归结成两类：内部加热和外部加热［3］。内部加热主要有高/低频交流电加热，以及电池内部放电来进行加热。外部加热主要有电加热膜加热、热管加热、液体加热、PTC加热等方法［4］。这些方式各有特点，其中电加热膜加热在锂电池低温预热方面有着突出的优势。加热膜形状尺寸可按需制作，电压与功率也可任意设计。其厚度薄，导热性良好，不加热时电池散热不受影响。重量轻，结构简单，占用空间极小，安装方便，可粘贴在电池表面［5］。本文针对此前已设计出的模块化动力电池组，增加低温预热功能，采用电加热膜加热的方式，来解决电池组在低温环境下预热的问题。

2 电池组预热初步方案

2.1 几何模型

此前已设计出的模块化动力电池组已经满足了良好的散热功能。该电池组是由216个磷酸铁锂单体电池来构建，该单体电池尺寸为205 mm（长）×148 mm（宽）×27 mm（高），标称容量为76 Ah，标称电压为3.2V，内阻0.6 mΩ，持续放电电流为1C，放电电流为100A，重量为1.65 kg。这些单体电池被平均布置在三个电池箱内，分别构成三个电池模块，每个模块里的单体电池摆放及安装方式相同，散热结构也一样。电池模块散热方式为风冷散热，汽车系统冷风通过分配阀均匀分配给三个模块。

图1是电池模块的三维结构图，模块长宽高分别是1367 mm×546 mm×300 mm，重量约120 kg。箱盖和箱体壁面为夹层是硬质聚氨酯保温材料的夹层结构。箱盖上有8根内径为Ф90 mm且长度相同的风管，每根管均匀的开有9个小孔，在入风口同一侧设有8个出风口。初步预热方案在箱内底部铺设电加热膜，72块单体电池在电加热膜上的布局是8列9排。当电加热膜处于工作状态时，产生的热量会通过与其接触的电池底面传递到电池内部（图2）。

图1 电池模块的三维结构

图2 初步预热方案示意图

2.2 传热模型

为了对加热膜加热这种方式进行低温预热分析，需要建立低温预热数学模型。由于电池在低温预热过程中不进行充电和放电，所以电池的预热过程符合如式（1）所示的热平衡方程［6～7］：

式中：QH为加热元件产生的总热量（J）；Qb为电池吸收的热量（J）；Qba为电池与环境的交换热量（J）；Qha为加热元件与环境的交换热量（J）。由于单体电池在预热时无充放电，这意味着在此期间电池本身不会产生热量，其吸收的热量是来源于电加热膜，因此，单体电池吸收的热量可以用如下的方程表示：

式中：mi为i号电池单体质量（g）；Cpi为i号电池单体比热容（J·g-1·K-1）；ΔTi为i号电池单体平均温度变化。

单体电池通过热传导、对流和热辐射这三种形式与外界进行热交换。电加热膜在工作状态下与单体电池底面的接触，这时主要通过热传导进行热交换，该过程符合傅立叶定律：

式中为热流密度矢量（W/m-2）；λ为导热系数（W/（m·K））；grad（t）为空间某点的温度梯度；为该点的等温线上的法向量。

对流是指流体进行宏观意义上的流动时，其各部分会存在相对位移，冷流体和热流体相互掺在一起，热量在这此期间会被传递的行为。热对流通常采用牛顿公式来计算，可以表示为［8］

式中：Φ为热流量（W）；h为传热系数（W/m2·K）；A为面积（m2）；Tw为壁面温度（K）；Tf为流体温度（K）。

在电池低温预热时，由热辐射这一方式来传递的热量很少，仿真计算时可以将其忽略不计。所以文中在对电池预热过程进行仿真计算时，主要考虑的热量传递方式有两种：热传导和对流［9］。根据前人对电池组热特性的实验和研究可以得知［10～11］，磷酸铁锂电池的理想工作温度为20℃～35℃。但在低温下将电池组的温度预热至20℃没有实质性必要，既不节能也不能在很大程度上提升电池性能，因此，根据山东大学邓雪莲［12］以及哈尔滨理工大学胡宸［13］对于电池组低温预热系统的研究，将文中电池组的预热目标温度设为5℃，且温差保持在10℃以内。

3 初步方案的有限元仿真分析

3.1 初始条件

首先使用SolidWorks来建立电池模块初步预热结构的三维仿真模型，然后使用ANSYS Tran⁃sient Thermal对该模型进行网格划分以及求解。由于电池模块的几何模型很大，结构左右对称，且左右两部分的电池所处的环境条件相同，因此选取左半部分36块电池作为仿真的几何模型［14］。经验证，箱盖上的风管结构对电池低温预热效果产生的影响可以忽略不计。在仿真求解时，设定一些假设条件：1）单体电池材料质地均匀，密度和比热容保持不变；2）电加热膜和电池热辐射影响小，不考虑这一影响［15～16］。此外，假设单体电池的导热系数在相同的方向上是相等的，不会被温度所影响。表1中列出的是单体电池、电热膜和空气这三种介质的热物性参数［17～20］。

表1 介质物性参数

热分析载荷与边界条件设定：环境温度是-15℃，预热时间是600s，空气与电池表面是对流。由于厂商推荐的的锂电池加热膜功率密度范围是0.1-0.4W/cm2，因此本文根据实际条件将电池底面热通量设为0.2W/cm2。

3.2 仿真结果

边界条件设定完成之后进行求解，得到了初步预热方案的仿真结果（图3）。分析仿真结果可以发现，电池的温度最高可至5℃，最低是-15℃。未达到预热目标温度5℃，且温差为20℃，远远超过规定的10℃。电池上半部分的温度最低，距离电加热膜较近的下半部分温度较高。这是因为电池只通过底面和电加热膜接触，接触面积太小，通过热传导传递给电池的热量太少，此外，电池高度大，热量传递到电池上端的速度太慢，电池上半部分几乎没有热量传入，造成了电池上下两端温差过大的结果，因此需要进一步优化电池的低温预热结构。

图3 初步预热方案速度分布图

4 电池组预热改进方案及仿真分析

4.1 改进方案

通过对初步预热方案仿真结果的分析可知，预热过程中电池与电加热膜接触面积太小，热量传递距离远导致电池预热效果不好。因此提出改进方案：电加热膜的位置上由铺设在箱底改为粘贴在电池两侧面，研究分析改进后的预热效果，改进后的几何结构如图4所示。

图4 改进预热方案示意图

4.2 仿真分析

使用改进预热方案中的几何模型进行仿真求解，边界条件设定为：环境温度为-15℃，预热时间为600s，与电加热膜接触的电池侧面热通量为0.2W/cm2。图5是改进预热方案的仿真结果，分析该图可以得知，电池的温度最高可至22.7℃，最低是14.7℃，温差8℃。在相同环境条件、预热时间和热通量下，与初步方案相比，改进方案的预热效果提升了许多。

图5 改进预热方案速度分布图

由于最低温度是14.7℃，高出目标温度5℃较多，可以推断，改进方案的预热时间不需要600s就可以达到预热目标温度。继续对改进方案进行仿真求解，最终发现预热时间为408s时就可以达到目标温度，温差降低至6℃（图6）。由此可知，改进方案不仅能提升温度的均匀性，还能缩短预热时间。

图6 预热时间为408s时速度分布图

4.3 不同环境温度加热效果分析

在实际情况中，电池会面临各种低温环境，为了对改进方案的预热效果进行更全面的研究，增加了对环境温度分别为-20℃、-10℃、-5℃时的预热效果的分析。通过大量的仿真计算，得到了电池在不同环境温度下预热至目标温度所需的时间（图7）。分析该图可知，电池在环境温度为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃时，预热至目标温度所需时间分别为 507s、408s、311s、215s。即环境温度越高，达到预热目标温度所需时间越少。因此，面对或高或低的环境温度，使用时应该灵活地调整电池预热时间，减少不必要的功耗。图8反映的是不同环境温度下温差的变化情况，分析该图可知，预热时间在600 s内的情况下，在这四种温度下，温差随预热时间变化的趋势几乎相同，都是随着预热时间的增大而增大。表明了在一定的时间内，预热时间缩短对提高温度均匀性是有利的。

图7 不同环境温度下预热时间柱状图

图8 不同环境温度下温差变化折线图

5 结语

1）锂电池在低温环境下工作工作时，会导致活性降低，电池寿命缩短。经验证，本文提出的使用电加热膜来预热电池的方案是有效的。在初步方案中，电加热膜铺设在箱底，预热600s后，电池的最低温度为-15℃，未达到预热目标温度，温度的均匀性差。改进方案中，将电加热膜粘贴在电池两侧面，增大加热面积，在408s就能达到预热目标温度，缩短了预热时长，改善了温度均匀性。

2）在一定的预热时间范围内，不同环境温度下电池温差随加热时间变化的趋势几乎相同，都是随预热时间的增大而增大。说明仅延长预热时间不能有效改善温度均匀性。此外，电池所处的环境温度越高，预热至目标温度所需时间越短。应根据环境温度合理调整预热时间，避免预热时间及能源的浪费。