考虑电动汽车热失衡的锂离子电池包可靠性设计方法

Posted 2021-04-19 新能源管理技术

随着全球能源危机的加深，开发电动汽车将是解决节能减排的最佳途径。然而，作为一种商品，电动汽车存在着三个主要问题：受限的行驶里程、过长的电池充电时间和高昂的电池成本。电动汽车电池组的可靠性是影响这些问题的主要因素之一。

有两种主要的方法来改善可靠性问题：一种方法是对锂离子电池进行基础研究，例如开发新材料和材料改进，通过提高电池的可靠性来提高电池组系统的可靠性。然而，电池材料已近乎达到目前科学技术的极限。另一种方法是从系统的角度提高电池组的可靠性，包括热管理、结构冗余、故障诊断和电池管理系统。其中，冗余设计是最重要的方法之一，即增加冗余电池，并采取适当的冗余策略。

一、锂离子电池组可靠性设计方法框架

框架包含以下四个步骤，如图1所示：

（1）温度分布分析。获取整个电池组的温度分布，以分析温度不一致性，并确定每颗电芯的工作环境温度。

（2）老化模型的建立。建立温度相关的老化模型。然后，根据电芯的工作环境温度，获得电芯关于衰老状态的分布函数。

（3）系统可靠性分析。电芯的老化概率可以通过分布函数计算。电池组是一个多状态系统，可用MSS方法对可靠性进行分析和评估，如通用生成函数（UGF）、随机过程、蒙特卡罗模拟、布尔检索模拟等。

（4）迭代设计。通过改变冗余策略、电池组结构、放电速率、冷却方式等，对步骤（1）-（3）进行不断迭代，以提高电池组的可靠性直至设计满足需求。

一般来说，循环寿命是衡量电动汽车可靠性的主要指标。因此，电芯的SOH被用于分析。另外，电池组的温度不一致问题和冗余结构被综合考虑。基于物理场仿真技术，建立了多物理场模型。利用UFG方法，电池组的多状态系统可靠性被分析。

二、锂离子电池包模型

在上述方法的基础上，建立了三维电-热-流耦合模型，耦合关系如图所示：

    电池内热传导控制方程如下：

其中q是单位面积的热流，λ是导热系数，ρ是密度，C_V是比热容，T是温度。

将每个电池视为一个独立的热源，可以利用Bernardi模型得到如下发热量：

其中I是充放电电流，V_C是电池体积，U是电池开路电压，U₁是电池终端电压，T是热力学温度。

电池组中的流体流动特性可以用N-S方程描述，包含质量守恒、动量守恒和能量守恒方程：

其中，u是电池包中流体速度，p是流体压力，μ是动态粘度系数，S_m是动量源，i是流体内能，S_i是粘性耗散。

以LiFePO₄ 电池为例，容量衰减经验模型如下：

其中，ξ是老化后的总容量，Ah_i是电荷，T_ref是参考温度。

容量衰减在任何时刻都被假定为正态分布，SOH被认为是评价电池健康状态的标准，定义如下：

其中，Q_nom为标称容量。

根据电池组串联结构和并联结构，定义了电池的编号规则，如图：

三、实例与分析

1、锂离子电池包的可靠性

图5（A）展示了3×5串并联电池包的布置和结构，假设每个电池的放电速率为1C，室温25℃，假定电池内阻为常数，建立了COMSOL多物理场仿真。图5(B)(C)展现了电池包的温度分布和流体速度分布，采用加权平均法，以平均温度为计算值，获得了每一块单体电池的平均环境温度。

根据环境温度，可以计算容量衰减，然后推导出SOH。通过分析相应的概率密度函数，可以计算出每个单体电池在每个阶段的SOH值。在此，表5中只列出了（2，3）号电池的值。可以看出，根据电动汽车的实际工作条件，在1000次充放电循环后，（2，3）号电池的值为0.9991。

经过一定的循环数后，可以推导出电池的电压函数，以（2,3）号电池在500Ah后为例。

推导出电池包的电压函数如下：

电压函数的系数如表6所示：

2、不同冗余策略下电池包的可靠性

建立并模拟了集中不同冗余策略的模型，3×10和6×5两种串并联电池包的电池总数是相同的，物理模型和编号如图6(A)和6(B)所示。通过计算可得，电池电流在两种冗余策略中是相同的。因此，两种电池包的温度分布和流体速度分布都是相同的，如图6(C)和6(D)所示。通过系统可靠性分析，得到了不同冗余策略的电池包的可靠性，如图7所示。结果表明，经600Ah处理后，3×5电池包的可靠性为0.0635，相比之下，3×10和6×5电池包的可靠性分别为0.8381和0.9981。

表7展现了相同冷却条件下，600Ah处理后不同冗余策略的可靠性。I和J分别是并联和串联冗余的数量。结果表明，冗余设计可以提高电池组的可靠性，对电池组的可靠性设计具有重要意义。通过对（3×,10，5×6，6×5），（4×9，6×6）等比较，得出结论：并联冗余方法优于串联冗余方法。因此，在电池组可靠性设计过程中，应优先考虑并联冗余，以满足要求。

在表7中可以观察到一个奇怪的现象，5×7,5×8,5×9,5×10结构冗余电池数量增加，但可靠性却少于5×6结构，这也可在6×5，6×6，6×7，6×8，6×9，6×10中找到。这种奇怪现象的发生是因为冗余策略的变化导致电池包中温度分布发了变化，影响了可靠性。如果在可靠性设计中忽略了温度的不一致性，盲目增加冗余电池的数量，不仅会增加成本，还会产生相反的效果。因此，电动汽车电池包的冗余策略应综合考虑热均衡、成本等的影响。在这种情况下，6×5的串并联结构是最优的选择方案。

3、布置和冷却条件对可靠性的影响

本文只探讨一种电池的排列方式，该方案通过交叉排列方式改变温度分布，减少温度不一致，进而提高电池组的可靠性。以3×5串并联结构为例，结构图和仿真结果如图8(A)所示，环境温度和电池组的可靠性如图8(B)(C)所示。

 

四、结论

在案例研究中，通过对不同冗余策略可靠性的分析和比较，得出如下结论：1）冗余设计对提高系统的可靠性具有重要意义；2）在相同条件下，并联冗余优于串联冗余；3）除成本外，还应考虑热不均衡问题。本文案例中，6×5串并联结构电池包的可靠性是最佳的选择。此外，通过分析不同布置方式和冷却条件对温度分布的影响，我们发现合理的单元布置和良好的散热条件可以改善温度不一致性，从而提高系统的可靠性。

 

 

 

来源：A reliability design method for a lithium-ion battery pack considering the

thermal disequilibrium in electric vehicles

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.03.036

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