电池模组垂直方向温度场仿真与实验分析

文章来源：1.爱驰汽车(上海)有限公司2.中汽研汽车检验中心(天津)有限公司天津市电动汽车评价技术企业重点实验室3.广州明美新能源股份有限公司

电动汽车热管理技术及仿真等研究工作大多聚焦在单体水平上，对电池内部温度场研究较为深入透彻。电池包内模组温度场分布情况研究较少。常见电池包内有多个电池模组，每个模组内含多个单体电池，单体电池通过串并方式组合在一起。

电池包、电池模组、单体电池有特定容量、尺寸、质量。模组由单体电池、线排(busbar)、端板、侧板、上盖、绝缘罩、绝缘膜、线束隔离板、功率输出端子等部分组成。端板夹紧电池，并由侧板端板焊接固定，电池之间连接铝条采用激光焊接。导热垫位于液冷板和电池模组之间，它是电池加热和冷却时的热量通道，模组内温度场分布可以一定程度上替代电池包内温度场分布。

选用VDA(德国汽车工业联合会)标准尺寸模组，对其进行高度方向温度场仿真，并开展实验，测量充放电过程模组底部、上表面、侧板等高度方向各点温度数据。将仿真数据与实验数据进行对比分析。

1实验

1.1实验样品

表1为本文实验所用电池模组性能参数。

1.2仿真测试方法

电池包由上盖、隔热垫、模组、导热材料、隔离铝板、冷却板、支撑材料及壳体下底板构成，电池包结构见图1。电池包内装有N个模组，采用液冷冷却，模组结构见图2。

采用Floefd软件对液冷电池包进行热仿真分析，Floefd可以无缝集成于Catia软件中，在模型转化、模型处理以及网格、收敛分析步骤中具有独特优势。表2为仿真模型材料参数设置。

计算域中设定了两种域。一种是流体域，其中冷却管路中设定为50%乙二醇溶液，入口设置为流量入口，出口设置为压力出口，其余流体域为理想空气；另一种为电池所在的固体域。仿真计算时，将单体电池假定为均匀的发热体。仿真计算流域设置参数见表3。整个计算周期内为瞬态仿真。

图3为电池系统1C放电工况下发热量曲线，用绝热加速量热仪(ARC)实测单体1C放电工况下发热量。

1.3测试验证

测试验证流程：

(1)12#和24#两个模组按照图4和图5温度传感器布点图预埋温度采样线，然后装配到电池包内。测试环境温度25℃，充放电过程中开启水冷系统，冷却水温度25℃，流量10L/min；

(2)电池包放于25℃环境箱内，搁置12h；

(3)以1C(A)恒流放电至单体最低电压2.8V时止；(4)搁置12h，单体电池温度达到(25±1)℃；

(5)以1C(A)恒流充电至单体最高电压4.14V止；(6)搁置12h，单体电池温度达到(25±1)℃；

(7)以1C(A)恒流放电至单体最低电压2.8V止。

热敏电阻按照温度系数分为正温度系数热敏电阻(PTC)和负温度系数热敏电阻(NTC)，本次选用的模组用的是负温度系数热敏电阻。测试模组粘贴了热偶温度传感器。

12#模组表面共布置15个热电偶，编号79~83的5个热偶贴在模组Busbar上，编号为~的3个热偶布置在模组侧面，编号为~的5个热偶贴在模组底面，编号为24和27的2个热偶布置在模组导热垫下表面，用于测量水冷板表面温度。编号、是模组自带的2个负温度系数热敏电阻，一上一下布在模组中间，用于温度监控。

24#模组表面共布置15个热电偶，编号29~33的5个热偶贴在模组Busbar上，编号为~的3个热偶布置在模组侧面，编号为~的5个热偶贴在模组底面，编号为1和2的2个热偶布置在模组导热垫下表面，用于测量水冷板表面温度。编号、是模组自带的2个负温度系数热敏电阻，一上一下布在模组中间，用于温度监控。

2结果与讨论

2.1仿真测试结果

图6和图7分别是12#和24#模组仿真热分析的切面温度分布云图。

从云图看出，模组上部和底部温度差达到10℃，与ChristopheForgez等实验数据“电池表面与中心最大温差达到10℃”相吻合。电池内部温度场分布不均匀。导热垫上下表面温度差2℃。温度场仿真数据见表4。

电池模组最高温度是模组上表面的温度，高于环境温度，有16℃温差。最低温度是模组底部，贴近水冷板位置。冷却液流动带走了电池放电过程产生的热量。

2.2测试验证结果

测试1C放电时12#和24#模组及水冷板表面温度，获取电池模组高度方向温度场分布数据。两个模组不同位置温度随时间变化曲线见图8。

图8(a)为12#模组温度数据，在1C放电过程中，Busbar温度达到45.2℃，模组底部温度33.1℃，温度差12℃。这与仿真结果10.77℃接近；导热垫上表面与水冷板温度差2℃，

与仿真结果2.16℃基本一致。

图8(b)为24#模组温度数据，在1C放电过程中，Busbar温度达到45.9℃，模组底部温度32.4℃左右，温度差13.5℃，这与仿真结果10.61℃接近；导热垫上表面与水冷板温度差2℃，与仿真结果1.84℃基本一致。模组侧面高度方向温差1℃，上表面与高度方向温差小于5℃，底面与高度方向温差小于8℃。基点为上表面、侧面和底面的最高温度，三者间互相进行比较得出。

12#、24#模组仿真和实测温度数据比对说明仿真模型是适用且符合实际。12#和24#模组各布了3个点，对这3个点的温度进行比较得出：侧面高度方向温差在1℃以内。

3结论

通过电池模组热仿真及验证测试，获得放电时模组温度场分布数据。室温(25℃)开启流量为10L/min水冷系统，电池1C放电时，实测模组上表面最高温度45℃，最高与最低温度差12℃，与仿真结果一致；模组导热垫上下表面温度差2℃，也与仿真结果一致。模组侧面高度方向温差1℃，上表面与高度方向温差小于5℃，底面与高度方向温差小于8℃。