卡特蓄电池基于COMSOL的电池包内外湿热分析

电动轿车在实践行进进程中，车身及电池包会阅历不同气候环境的交替影响。海南岛常年阅历海洋水分及盐雾粒子的影响，属于典型的湿热海洋气候，温度、光照以及空气水分的共同效果对轿车资料及零部件的运用寿命提出了更为严峻的应战^［1］。高温、高湿、高盐雾是湿热海洋气候的首要特征，老化腐蚀是金属资料在该气候下的首要失效办法^［2］。

电池包作为一个相对密封的空间，电池包内部微环境的状况直接遭到动力电池参数及其作业状况的影响，外环境是指电动轿车及电池包在停放或者行进状况下所遭受的外在效果源，首要表现办法有太阳辐射、环境温度、相对湿度和风速等。

环境温度能够影响乃至决定其他环境因子的性质，外环境的温度与轿车及电池包的热交流办法首要为热传导^［3］。外界的环境温度不断改变时，温度差会使电池包的各个部件产生不同巨细的应力和应变，然后导致电池包的重要零部件如线束、密封结构等产生损坏或者损伤。一起，电池包内部结构杂乱，包含动力电池的串并联结构、各种线束等，在高温或者低温的长时刻效果下，可能促使其老化程度加速，然后引起了许多安全隐患^［4］。内部电池模组作业时会产生很多热量^［5］，湿热海洋气候下高温的效果对电池包的热安全性提出更高的要求。针对热安全性，赵鸿飞等^［6］在凹凸温环境下对磷酸铁锂电池的安全功能和循环功能进行了探求。他们发现，在高温环境下，磷酸铁锂电池有可能会着火，而在低温环境下，电池的容量则会严峻衰减。张佳瑢等^［7］深入研讨了温度和SOC对圆柱形锂离子电池的影响，成果标明温度越高对电池的容量衰减影响越大，但对电池功率才干的影响较小。Feng等^［8］研讨了在温度极高的条件下三元锂离子电池的特性，成果标明隔膜的熔点对动力电池阅历高温滥用后的功能影响具有重要效果，可是当温度超越140 ℃时，电池会由于内阻指数的上升而直接彻底失效，然后导致电池产生损坏。Smith等^［9］树立了一维的电池模型，经过仿真核算剖析了电动轿车电池组的脉冲功率约束和热行为，发现固相锂传输（分散）约束了高倍率功能，2.7 V的最小放电极限是由持续时刻超越10 s的脉冲在负极中耗尽及正极中饱满的活性资料外表浓度引起的，而3.9 V的最大充电极限旨在保护负极免受锂沉积等副反应的影响。

环境湿度的影响是外界环境与电池包进行水蒸气交流，首要体现在湿度分散方面。目前针对湿度对电池包功能影响方面的研讨很少，但相关资料标明，湿度及水蒸气会形成设备在作业进程中的故障率显着提高，例如海南岛年平均相对湿度86%，相同的轴承样品3年生锈率为97.7%，而河南洛阳年平均相对湿度69%，3年零8个月样品生锈率却只有28%，由此可见，环境湿度是一个有必要引起重视的影响要素^［10］。黄秀梅^［11］研讨发现高湿状况下寄存，锂电池的容量，电池电压产生了较大丢失、交流阻抗显着添加。电池包内的空气遭到潮湿的作业环境影响，简单产生凝露现象，然后导致零部件外表产生一层水膜。此外，电池包一般位于轿车的底部，当轿车行进经过有积水的路面时，由车轮导致飞溅起来的水珠会粘在轿车或电池包外表，经过温湿度的交替改变，水蒸气会渗透进车内和电池包内，形成电接头腐蚀、电短路等事故。本文作者经过电池包表里湿热传递试验收集湿热海洋气候的外环境数据并监测电池包内部的温度改变，将环境载荷谱导入COMSOL有限元仿真软件进行湿热多物理场剖析，为电池包在湿热环境下的运用、保护和故障诊断供给依据。

1 电池包大气显露下的湿热传递模型

1.1 物理模型

将电池包视为一个体积固定的开口体系，外界环境与电池包内部空间湿热传递的物理进程如图1所示，首要包含电池包箱体及气体内部的热传导、气体与箱体壁面和电池壁面的对流传热，以及经过防水透气阀开口的气体交流。其中，T_a和φ_a分别是外界环境温度、相对湿度；T_w和φ_w是电池外表温度和相对湿度；λ₁是电池包箱体资料的导热系数；h₁、h₂、h₃分别是外部空气与电池包箱体外壁、内部空气与电池包箱体内壁、内部空气与电池单体外壁之间的外表传热系数；n是电池包内电池单体数量；Q₀是单个电池的产热量；q_m是电池包内、外经过防水透气阀开口进行气体交流的质量流量；开口界面温度取外界环境温度T_a。

图1  电池包表里湿热传递物理模型

Fig.1  Physical model of moisture and heat transfer inside and outside the battery pack

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1.2 数学模型

电池包表里湿热传递首要触及湿度场、温度场和速度场的多物理场耦合，在湿热海洋气候下，空气湿度较大，水蒸气含量会显着影响湿空气密度，考虑湿空气为浓物质传递办法，相对湿度由式（1）给出。

φ=pvpsat #1

式（1）中：φ为相对湿度；p_v为水蒸气分压，Pa；p_sat为饱满压力，Pa。饱满压力根据clausius-clapeyron方程给出，随温度改变，是湿度场和温度场耦合的一种办法，表达式如式（2）所示：

psat T=610.7⋅107.5T-273.15T-35.85#2

式（2）中：T为开氏温度，K。

湿空气中的湿度仅来源于水蒸气，不考虑液态水，但在鸿沟处能够考虑蒸腾和冷凝，湿空气的传递考虑水蒸气随时刻的累积、对流和分散，表达式见式（3）；水蒸气质量分数经过水蒸气浓度换算见式（4）；水蒸气浓度与饱满蒸气浓度及相对湿度的换算关系见式（5）；湿空气的二元分散遵从Fick第二分散规则，表达式见式（6）。

ρg∂ωv∂t +ρgu⋅∇ωv+∇⋅Gw=G#3

ωv=Mvcvρg#4

cv=φcsat #5

Gw=-ρgD∇ωv#6

式（3）-（6）中：ρ_g为湿空气密度，kg/m³；ω_v为水蒸气质量分数；t为时刻，s；u为速度场，m/s；G _W为湿空气分散通量，kg/（m²·s）；G为湿空气源的分散通量；M_v为水蒸气的摩尔质量，kg/mol；c_v为水蒸气浓度，mol/m³；c_sat为蒸气饱满浓度，mol/m³；D为空气中水蒸气的分散系数。

将式（4）-（6）代入式（3），可得：

Mvρg∂cvρg∂t+Mvρgu⋅∇cvρg-∇⋅MvρgD∇cv/ρg=G#7

根据能量守恒方程，湿空气传热考虑水蒸气改变率引起的热焓，采用混合特点（即等效密度、等效热容），表达式^［12］如下：

ρCp∂T∂t+u⋅∇T+∇⋅q+qr=∂p∂t+u⋅∇p+τ:∇u+QH+Q#8

QH=-Cp,v-Cp,aGw⋅∇T#9

ρm=pRTMaXa+MvXv#10

Cp, m=MaMmXaCp,a+MvMmXvCp,v#11

Mm=XaMa+XvMv#12

式（8）中：C_p为热容，J/（kg·K）；q和q_r分别为传导传热和热辐射的热量，J；∂p∂t+u⋅∇p和τ:∇u分别为压力公项和粘滞应力项，低速工况一般不考虑；Q_H为水蒸气改变率引起的热焓；Q为其他热源的热量；C_p， m、C_p， v和C_p， a分别为湿空气的等效热容、水蒸气和枯燥空气的热容，J/（kg·K）；ρ_m为湿空气等效密度，kg/m³；p为压强，Pa；R为气体常数；M_m、M_a和M_v分别为湿空气的等效摩尔质量、枯燥空气和水蒸气的摩尔质量，kg/mol；X_a和X_v分别为枯燥空气和水蒸气的质量分数。

湿度场和温度场的耦合的另一种办法是蒸腾潜热，当蒸气浓度保持在饱满状况以下并且刚好高于液体外表时，就会产生蒸腾。蒸腾通量的表示见式（13）：

gevap =MvKcsat -cv#13

式（13）中：K为蒸腾速率，g/（ m²·s）。

在传热方程中添加以下热源来考虑液体中的潜热改变：

Qevap =-Lvgevap #14

式（14）中：Q_evap为考虑蒸腾潜热的热源；L_v为水蒸腾的潜热。

防水透气阀开口鸿沟处温度与外界环境温度持平，为敞开鸿沟，鸿沟条件表示如下：

-pI+τN=-F0N#15

式（15）中：I为单位矢量；τ为粘性应力矢量；N和F₀分别为鸿沟面处单位法向矢量和法向应力。

2 电池包表里湿热传递试验及成果

2.1 湿热传递试验规划

在获取电池包作业进程中的环境载荷方面，由于防水透气阀的应用，盐雾粒子很难分散进入电池包的内部微环境，电池包的摆放方位是电动轿车底部，故太阳辐射的效果也很小，所以仅考虑考虑环境湿热的耦合效果，试验将环境温度、相对湿度列为首要的环境影响要素，一起监测环境风速和太阳辐射强度等数据，以评价这些要素对电池包功能的影响。

如图2所示，遵从QC/T 728—2005《轿车整车大气显露试验办法》^［13］的规范，选取湿热气候代表的广州电器科学研讨院有限公司海南热带环境分公司试验场为试验场地，详细时刻为某年8月份，试验地址的详细地舆参数为北纬19.247 918°，东经110.472 618°，海拔高度57 m，路面原料为混凝土。归纳考虑仅丈量电池包外环境外环境中的温度与湿度数据，作为外环境载荷谱，详细收集仪器为TH10S-B湿度传感器（江苏产）、T型热电偶（江苏产）和34970A安捷伦多通道数据收集仪（美国产）。

图2  T型热电偶外部安置方位

Fig.2  The external arrangement location of T-type thermocouple

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T型热电偶用于实时丈量电池包外部及内部温度数据，对伸入电池包内部的热电偶做阻热处理，确保表里正常传热，量程为-20.0~160.0 ℃，精度0.1 ℃，热电偶安置遍及电池包外外表要害方位，图2中12号和14号点为外部热电偶丈量方位，内部T型热电偶方位如图3所示；TH10S-B湿度传感器用于丈量电池包顶部与后部旁边面的湿度，量程为0~100%，丈量精度±2%；热电偶以及湿度传感器收集的多组数据经收集线束统一由安捷伦多通道数据仪记载，收集频率为5 min/次。

图3  T型热电偶内部安置方位

Fig.3  The internal arrangement location of T-type thermocouple

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为模拟实践电池包作业状况，选用遮阳瓦防止阳光的直射，电池包型号为PACK_HDF_61.3kWh_177Ah_IP96S，电池包内包含：24个模组，96个单体，详细尺寸参数如图4所示。

图4  电池包外观及尺寸参数

Fig.4  Battery package appearance and size parameters

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2.2 温度改变

试验环境在8月的温度改变状况如图5所示，曲线统计了正午12时和清晨0时的温度数据，数据来自12号传感器和14号传感器。

图5  电池包外部不同方位1个月内12时和0时的温度

Fig.5  The temperature of 12 o 'clock and 0 o 'clock in 1 month at different position outside the battery pack

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从图5可知，12号和14号两点在电池包外表间隔较远，可是温度改变几乎是重合的，能够认为电池包外每一点的温度数据都能够代表环境数据。正午12时整的温度并不是每天温度的最大值。统计数据标明，这一个月内12号最高温度39.83 ℃，最低24.09 ℃，平均温度30.31 ℃；14号最高温度40.44 ℃，最低21.76 ℃，平均温度30.09 ℃。

8月19日当天的温度改变如图6所示。

图6  电池包外部不同方位1天内温度改变

Fig.6  Temperature changes in 1 day at different position outside the battery pack

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环境的温度在一天的整体呈现由0时至7时左右（日出之前）温度递减然后递加再递减的趋势；一天傍边，正午12时左右为环境温度最高，清晨7时左右温度最低。经丈量环境的太阳辐射强度发现，在同一天内，环境温度的改变趋势与当天太阳辐射强度的改变趋势呈现出高度的相似性。这一观察成果标明，环境温度遭到太阳辐射强度的显着影响。考虑到夏季室外温度遍及较高，停放在室外的电动轿车将面对严峻的高温应战。

2.3 湿度改变

电池包周围环境一个月内和一天内的相对湿度改变如图7和图8所示。

图7  电池包外部不同方位1个月内12时和0时的湿度

Fig.7  Humidity at 12 o 'clock and 0 o 'clock in 1 month at different position outside the battery pack

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图8  电池包外部不同方位1天内湿度改变

Fig.8  Humidity changes in 1 day at different position outside the battery pack

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在试验的一个月内，电池包顶部的最大相对湿度为94.10%，最低为25.31%，平均为71.39%；电池包后部旁边面最大相对湿度为94.90%，最低为44.80%，平均为77.17%。在为期一个月的试验中，大气相对湿度的改变呈现出一个显着的规则：夜晚和清晨的相对湿度较高，而到了正午，相对湿度遍及较低。一般定义相对湿度80%为高湿度环境，在试验的0时至9时时刻段内，电池包持续显露在高湿度环境中。从图8可知，电池包后部旁边面的湿度会相对于顶部更大。从试验设置条件来看，电池包顶部连接的是轿车的底部，顶部的空气流通不畅，湿度较低，且电池包后部旁边面挨近防水透气阀的方位，更能反映表里湿热传递的环境。

3 电池包温湿度耦合仿真模型

3.1 二维仿真模型

3.1.1 模型树立

结合电池包壳体表里湿热传递试验所获取的环境数据，以图4所示的某款电动轿车的动力电池包为原型，在COMSOL软件树立电池包温湿度的二维仿真模型。根据已知实践电池包的尺寸进行几许建模，运用CAD软件绘制电池包以及内部电池散布的二维图，将其导入到COMSOL中区分网格，如图9所示。

图9  电池包二维网格图

Fig.9  Two-dimensional grid diagram of the battery pack

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模型中参与仿真核算的物理场包含空气中的水分运送、层流及固体和流体传热等模块，防水透气阀作为3个模块介质传递的敞开鸿沟，防水透气阀两边的温湿度相同，在该鸿沟处输入试验所测的环境温度和湿度作为初始值，分散的依据是介质浓度的凹凸。温度的传递不仅存在与壳体的固体传热有关，水分的流体传热也是温度传递的一部分，温度场、湿度场、速度场3个物理场相互影响耦合，速度场与温度场以非等温活动模块耦合，温度场与湿度场以热湿模块耦合，速度场与湿度场以水分活动模块耦合。根据COMSOL内部自带的热传导与水蒸气传输方程，将实测的环境数据温度和湿度作为物理条件的输入，最后根据所树立的数学模型和鸿沟条件，运用数值办法求解热传导方程和湿气传输方程。

3.1.2 成果剖析

由环境数据剖析，每天的7时和12时是温度和湿度的最值，选取这两个时刻点剖析电池包的湿热传递状况，温湿度散布状况见图10。与后面的三维建模比较，二维建模更能反映出电池包内部水平截面的湿热传递状况。

图10  温湿度散布状况

Fig.10  The distribution of temperature and humidity distribution

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从图10可知，防水透气阀作为敞开鸿沟，需求连接外界环境，所以是温湿度改变较显着的区域，挨近防水透气阀的电池模组更简单面对高温文高湿的危险，该区域需统筹散热与枯燥才干确保电池包的安全运用。

求解得到的温湿度改变曲线见图11。

图11  电池包温湿度改变

Fig.11  The changes of temperature and humidity in battery pack

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由实测的环境数据与实测的电池包内部温度曲线能够看出，由于固体传热与流体传热的滞后性与热量的损耗，电池包内部的温度改变总是之后晚于环境的改变。且实测的电池包内部的初始温度低于环境温度，也是由于前一天的外部环境热量还未传递到电池包内部的影响。与后面的三维建模比较，二维建模更能反映出电池包内部水平截面的湿热传递状况。湿度的改变与温度不同，环境湿度7时过后环境湿度大幅降低，电池包内部依然存在区域湿度增大，且增长速率增大，上午10时湿度到达最值95%，此刻的电池包内部存在湿度饱满的点，面对凝显露液态水的危险，严峻危害内部电池包安全。

3.2 三维几许模型

3.2.1 模型树立

三维模型的树立更有利于加深对空间湿热传递的了解。简化后的几许模型如图12所示，右侧旁边面圆孔作为表里温湿度分散的进出口。

图12  电池包三维几许模型

Fig.12  Three-dimensional geometric model of battery pack

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根据COMSOL内部自带的网格区分程序，挑选物理场操控网格的办法区分网格，区分网格的成果如图13所示。网格包含298 958个域单元、65 890个鸿沟单元和17 507个边单元。与二维建模类似，将3个模块之间相互影响耦合为非等温活动、热湿、水分活动等内置多物理场耦合模块，露天环境仿真将8月19日高温段的温度、湿度、风向、太阳辐射量作为环境变量的输入。

图13  电池包三维网格图

Fig.13  Three-dimensional grid diagram of the battery pack

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3.2.2 成果剖析

电池包壳体静置的内部湿度改变状况如图14所示。

图14  相对湿度改变

Fig.14  The change of relative humidity

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从图14可知，在晚上的8时到第二天的9时这一时刻段内，电池包内的湿度超越了80％，现已到达了高湿的状况，乃至在晚上8时到第二天清晨，相对湿度现已超越了90%，且此刻的环境温度恰好处于一天中的较低时段，此刻电池包内部简单产生凝露现象。长时刻显露在此状况下，电池的容量以及安全性会一定的影响。与二维建模相同的是，电池包内部的最大湿度总高于环境湿度，在高湿地区尤其需求注意电池包内部凝露的问题。电池包内不同方位的点湿度改变左右差异，详细与水分介质的活动有关（见图15），整体与环境改变趋势相同。

图15  水分介质流速散布

Fig.15  The distribution of water medium flow velocity

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不一起刻的电池包温湿度三维散布状况如图16所示。

图16  温湿度散布状况

Fig.16  The distribution of temperature and humidity

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7时，进口处相对湿度接连散布的区域与进口方向近似平行，图15水分介质的传递方向很好的解说了这一现象，即7时，湿度最大，空气中的水蒸气含量最高，水蒸气进入空腔并未先行填满进口附近的腔体，而是因存在一定的进口速度，在狭小的进口加速了流速，在随后内部旁边面壳体的阻挡下逐渐冲散开，再开端填充其他空腔部分^［7］。12时，湿度最小，空气中的水分介质最少，由湿空气传热的热量削减，即式（8）中的对流项和时刻累积项的热量削减，对应图15中电池包腔体的水分介质活动很少，湿热传递中的传导传热占的比重更多，沿电池包旁边面腔体进行传导传热，对应图16（b）和图16（d）中温湿度改变梯度垂直于腔体旁边面（即等温线平行于腔体旁边面）。

动力电池包内部温度改变如图17所示。

图17  动力电池包内部温度改变仿真图

Fig.17  Simulation of temperature change inside the power battery pack

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比较19号和20号点发现，在挨近防水透气阀的方位与外部环境的温度改变趋势更为挨近，由于流体传热的滞后性，内部温度也伴随环境改变到达峰值温度。一般，电池最佳的作业温度区间是15~35 ℃，这样的温度下，能够实现电池最佳功率输出和输入，电池的容量和循环寿命损耗较低。由图可知，在大多数状况下，电池包内部温度都能保持在35 ℃以下，只有在温度峰值时刻段才会超越35 ℃，实测内部温度峰值乃至超越环境温度，最高到达37 ℃。对比湿度与温度截然相反的改变趋势，最直接的原因是温度的升高提高了空气中的饱满蒸气压，水蒸气分压不变但与饱满蒸气压的比值降低即相对湿度减小［见式（1）］。一起，温度升高，蒸腾潜热添加，也削减了空气中的水蒸气含量［见式（13）］。

4 结论

本文作者经过在湿热海洋气候环境建立下电池包湿热传递试验渠道，收集了电池包外环境载荷谱，监测了环境温度和环境湿度的改变状况，随后经过传感器，监测了电池包内部的温度改变，并利用COMSOL仿真软件研讨电池包表里湿热传递的规则。发现静置状况下的电池包，内部空间的温湿度改变与外环境比较有所滞后。在湿热海洋气候环境中接连放置24 h，电池包内部平均相对湿度为80%左右，虽然没有直接产生凝露现象，但在深夜到清晨时刻段的相对湿度现已超越了90%，现已到达了高湿的状况，会严峻影响电池的运用寿命，正午11时到13时温度超越35 ℃，电池的容量和循环寿命遭到较大影响。

空间规则上，挨近防水透气阀部分的电池模组更易收到高温文高湿的影响，最高温度37 ℃，最大湿度95%，高于环境温度和环境湿度，电池模组将面对高温文凝露危险，对于电池包的安全规划提出较大应战。

温度和湿度的改变趋势相反，首要原因是温度的升高提升了空气的饱满蒸气压，一起蒸腾潜热的添加削减了水蒸气含量，使得相对湿度减小，湿空气传热的对流和分散的换热削减，电池包的传导传热比重会添加。

以上试验与仿真均树立在放置工况下，作业状况下的电池包内部湿热传递规则更为杂乱，也是本研讨尚有缺乏的当地。未来的研讨，能够进一步探索电池模组的充放电循环对湿热的影响，结构规划以及将湿热剖析用于电池包的热办理，更科学有效的保障电池包的安全。