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第三章 方法
3.1问题陈述
3.1.1电池组设计
电池内的温度调节电动汽车已被确定为一个安全高效运行相关的重要方面。增加能量密度和减少大量的电动汽车电池组,彻底检查电池组热管理正成为一个重要的方面的设计。当考虑一个电动车电池组时,有两种截然不同的水平的设计问题需要考虑:一是规模小,或单个细胞水平设计,另一个是大规模的,或包级别设计。用液体冷却后被确认为一个高度可取的热调节手段,这意味着细胞水平上设计集中在液体冷却板的设计。高保真模型创建和应用优化设计来确定最佳冷却剂几何通道。这种优化的结果可以达到最低温度差异,最低压力下降(减少所需的泵功率冷却剂),或最低平均气温。
组织级别设计的目标非常相似:最小化的平均温度,将损失最小化, 降低了组件内温度的变化。因为许多单独的电池电池组特性,考虑温度和方差的温度需要扩展包括所有从一个单独的电池电池组内。现实世界中使用的电动汽车电池组也不是一个稳定的状态电池组。看条件的问题,高,低,排放和产生热量。当考虑单元级别设计时,需要一个高保真模型来模拟流体流动板之间的传热特性和冷却剂。对于更大的电池, 一个更简单的方法是要求允许多重功能电池组模型的评估,尤其是当考虑与时间有关的瞬态模拟。这样的考虑热包级别的管理也扩展到包括不仅热条件的多个电池,而且他们的行为如何随着时间而变化体现在车载使用上。
3.1.2目标函数
电池组热性能的主要因素是第一点，平均水平电池组的温度是第二点。温度分布都是在单独的电池细胞上，然后整个电池组作为一个整体。当考虑平均温度电池组时,热能的总量从初级的电池组算起。在液体冷却系统中, 从电池组能量的移除速率直接相关的部分作为一个整体与冷却剂入口温度之间的温度差。以前的冷却板优化的结果表明,平均电池组温度和冷却剂温度密切相关,降低平均包温度很容易通过降低冷却液温度。电池温度的分布和电池组的性能高度依赖于冷却系统行为超出了冷却液入口的温度。
电池组在执行一个瞬态热分析是作为一个整体的,我们可以看到两种组织内的关于时间温度分布空间(在单个单元和多个单元之间)。优化的目标函数是最小化的标准偏差为电池组的温度。因为有多个维度问题(空间分布和分布),温度的标准偏差可以有很多意思。温度分布可以被解释为可变性在单一位置的时间温度模拟,或作为的可变性单个时间点通过一个或多个电池。设计的初步探索空间已经表明,电池内的温度缓慢改变由于大热容量与电池相关联, 这意味着主要的问题将被空间维持均匀的温度的电池组内，而不是在高发热的期间限制的温度突然增加。考虑这些初步结果空间的温度已被确认为标准偏差目标函数是最小化。因为仿真问题是与时间有关的意思随着时间的空间温度的标准偏差是用于单值结果优化。
3.1.3边界条件
有许多方面，这将影响到电池组热模拟操作条件和相关的边界条件。在电池单元中发生的电化学过程是复杂的，特别要考虑的是化学和电池单元的样式。也有复杂的流体力学中的液体冷却板本身来考虑。因为这个工作是集中在热性能和热管理电动汽车电池组系统、机械应力、应变等属性都将被忽略。这留下阳性的和阴性的热生成两种类型的负载在电池组。阳性发热来自电池单元自身和被施加作为根据驱动周期和模拟时间的电池单元的体积体负荷。热流的唯一其他可能的系统来源是如果电池本身比液体冷却剂冷却器，它用来加热所述组织，而不是冷却，这是在此工作的探讨。
热流系统可以来自许多来源。主要是热取出电池的热管理系统,这是考虑到液体冷却系统拒绝了周围的环境。热可以逃避系统通过对流、传导或辐射到周围环境(道路,空气,汽车的身体)。热辐射温度的模拟可以忽略不计, 并从电池组到车辆传导是最小的，由于组织本身的结构。电池组织结构看到电池和冷却系统密封在一个外壳结构刚度以及安全。电池外壳是水密以允许无需高电压短路，构成了对乘员以及电子设备和电池的组件组本身的危险的危险的车辆的潮湿天气操作。自整个电池组密封环境,没有气流或组织。小体积的空气中包含的组织不会对整体组织装作出了重大贡献冷却,尤其是在空气的温度接近。这个的影响小，热质量将被忽略。
如在模拟发热这样的正源来自内部发热体中的电池单元，吸热只来自所述液体冷却板。正和热吸收的细节都在电池单元（3.2.3）和冷却板（3.2.4）建模下面的章节更充分的讨论。
3.2建模
3.2.1电动汽车电池组
作为这项工作的参考设计电池组是雪佛兰Volt的。该伏288使用锂离子袋型电池，安排到3个主要电池部分。电池部分I5 2和3有90,72年和126年分别电池。图4显示了Volfs电池组的物理布局。将细胞在3并联电池组电布置，以提高电池组的电流输出。这3个小区的分组然后被串联连接，得到共96组3细胞的。对于总电压输出为360伏和400安培的最大电流输出是可能的30秒的持续时间。电池组的质量大致190千克，总电池质量140公斤。
图4 - CAD模型的雪佛兰Volt电池组。
热管理系统利用Volt是一个液体冷却系统。有2:1的比例电池冷却板,用一个盘子之间插入其他细胞包。液体冷却剂,水-乙二醇混合物组成的50/50(常见的汽车防冻剂),是通过冷却板,它并行排列的入口温度是恒定在整个包的。冷却剂可以拒绝热环境在散热器，安装在车辆内,或积极使用的车载空气冷却求解系统。在寒冷的天气里操作时,可以在工作范围内加热冷却剂的温度。
3.2.2有限元建模的组件
有限元(FE)创建代表电池组的参数化模型ANSYS中的APDL环境。电池的数量、大小和物理属性写入文本文件MATLAB,然后由ANSYS读取。标量模拟中使用的参数列在附录B中供参考。由于电池组是由大量的重复部分组成。无论是作为一个整体还是每一个部分，几何创建模块化和反复循环一小部分几何来生成电池组。本节描述几何创建、啮合边界条件的应用。
图5 -电池组的基本构建块。重复来实现在一个给定的电池部分所需的数量
的细胞。
最小重复部分是电池组电池的组合,冷却板、电池、绝缘(图5)。利用MATLAB中定义的维度,卷创建为每个组件,每个组件命名cellX(电池)或plateX(用于冷却板)其中X是在整个过程中逐步增加。这个过程是循环通过,直到达到每个电池部分所需的电池数量,然后完成整个包的几何。然后通过选择执行啮合边对应于定义的维度和应用指定的网格密度。每一个组件是网状的,有8个元素宽度(x),10个元素高度在厚度(y方向)和3个元素(z方向)。每个卷是使用一个网状Solid70六面体的元素,这是一个没有结构属性的热元素。最后的网状模型,其中包含138960个元素,如图6所示。
图6 -完整的电池组网。插图是一个放大视图显示网格密度*由于网格密度和黑色观看距离所呈现的组织的顶部和侧面。
边界条件的应用程序指定为每个组件(电池和单独冷却板),通过引用当地坐标系统。这允许边界条件是相同的数字,不同的只在本地起源的空间值的引用。具体边界条件的电池和冷却板下面讨论了各自的部分,3.23和第3.2.4。
3.2.2电池单元
雪佛兰Volt中使用的电池是锂离子袋型电池。每个单元生成一个名义3.75伏特的电势,可以输出高达4.17安培的电流[21], 它们在结构层，设有多个层包括一个由铝正阴极，由镍制成的负极阳极镀铜[46]，以及作为隔板，以防止阴极和阳极的直接接触。。由于这种多层结构，它们的特点是高度各向异性的热导率和不能由标准来表示物料在ANSYS仿真环境。玛勒基等。[47] 进行类似的锂离子型电池调查其热导率无论是在平面和平面交叉的详细研究。具体的电池由马利基等进行测试。[47]不相同的那些用于伏特,但是是一个圆柱形细胞常用于笔记本电脑以及特斯拉EVs5称为18650个细胞。尽管圆柱形细胞功能完全不同的热传导行为,他们的结果是适用的。圆柱型细胞本质上是卷起袋型细胞和Maleki执行的工作，在18650年形成细胞后被展开。他们的结果如表6所示。
表6-锂离子电池的物理性能在平面内外的反应，结果来自索尼18650细胞。[47]
|
属性 |
值 |
|
跨平面 |
|
|
热容(J/kg K) |
1280 |
|
导热系数(W/m K) |
3.4 |
|
平面上 |
|
|
热容 (J/kg K) |
1278 |
|
导热系数（W/m K) |
28.05 |
可以看出,热导率的差异从平面到平面外近一个数量级,这是不容忽视的。在电池建模这是一个重要的方面，因为任何热量必须通过细胞的细胞分散在平面上比它更迅速进行。虽然电池本身特性的不同是由许多不同的材料组成, 该材料在模拟中使用的属性是均匀的整个细胞,尽管各向异性。
热发生在电池有两个主要的来源。第一个是焦耳(或电阻)加热。这是电流通过阴极和阳极的直接结果,由于电阻产生热量。方程显示了当前和能量耗散之间的关系。
方程I -电阻加热方程
Q= I2 R
Q代表加热W，I代表A，R是Q的阻力。图7显示了如何将电流流过袋型电池单元分布。由于所有的产生必须通过电极接头，电流，因此焦耳热的影响的电流，是最高的该区域。由于电流和发热体之间的非线性关系，在电池单元内的任何一个位置中产生电阻加热的量是不是一个简单的计算，特别是因为电阻会随温度变化及电流分布还将然后改变。精确地确定阴极和阳极内焦耳加热的水平，需要每个电极内的电流密度的一个详细的映射。
图7 -典型的电流通过袋类型电池电极。电流密度
减少了对电极的下边缘图。最大电流密度是标签。
第二热源代内电池的电化学反应生成细胞内的电势。许多研究人员创建方法的一个电池的电流密度的分析模型和电化学过程可能被解决(48,49,50),虽然这些方法是强大的工具和潜在有用的,他们特性的详细程度超出当前的工作范围。金等。[50]进行理论建模的袋型电池抯热生成和实验验证的模型。这些结果显示生成的热量分布在一个类似电池的雪佛兰Volt和被用来确定热生成配置文件用于这项工作。KLim等。[50]执行许多测试在LG化学袋型锂离子电池,并使用热成像摄像机捕获温度资料为每个负载在每个时间间隔。测试执行Table7所示。注意,IC放电将电池完全放电一次一个小时,3 c将电池的放电能力为每小时3次。
、
表7 -热测试条件代LG化学锂离子电池。细胞开始测试在指定的初始温度。3倍的读数是每3初始温度对于每个放电率,导致共9测试。[50]
|
变量 |
值 |
||
|
测量时间(min) |
I |
6 |
11 |
|
初始温度(0C) |
15 |
25 |
45 |
|
放电率(C) |
I |
3 |
5 |
测试的结果具有放电率最高(5 c)最早时间(Imin)的初始温度25 0 c使用在这项研究中,因为他们将最准确地代表电池的热生成配置文件前温度分布平衡的整个细胞。结果如图8所示。
电池热反应概要
图8 -表面热生成配置文件的袋型锂离子电池。结果显示
只有在面对细胞分布。[50]
结果如图8所示是无量纲的，只显示相对温度(假定热生成率)在本地电池单元内。金等。[50] 已经表明的发热体在电池单元的类型的底部边缘中的可见雪佛兰伏特具有非常低的局部发热率，由于在该最小电流密度位置。因作为在板内，例如在发热分布已被设定为最小在该位置的I值，与邻近的电极接线片，最大为6。
上面描述的方法被用来确定热的两代最外层的电池热的一代。因为每个电池是由3厚度 8乘10的元素(z-方向)层平面(x - y方向),中央层也需要有一个热生成配置文件定义。中央层的元素,生成热分布是由平均两外两个相邻元素的面孔。这样的中心部分元素在每个电池特性的热生成配置文件是两个外部面临的平均值。三片的热生成配置文件可以看到单个电池在图9中,以及一个等距视图的整个电池。
0
12444
24889
37333
49778
62222
74667
87111
9955
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