燃料動力鋰電池堆中單體電壓一致性較差通常與溫度一致性較差有關(端側電池與中區電池溫差較大)。采用傳統計算機仿真技術評估上百片燃料動力鋰電池單體層疊形成的電堆溫度分布，通常計算資源巨大。本文分享本田汽車公司開展的Clarity燃料動力鋰電池堆溫度分布評估研究。

本田汽車公司旗下2016版Clarity燃料動力鋰電池汽車全球開創性使用雙電池單元結構(3片單極板+2片MEA)，組成獨特的冷卻結構。2016版Clarity燃料動力鋰電池汽車沿用本田上一代FCX-Clarity燃料動力鋰電池電堆波紋形流場設計，進氣形式采用水平逆流波紋形流場(相比上一代垂直波紋形流場)。2016版Clarity燃料動力鋰電池堆由多片燃料動力鋰電池單體、絕熱板、集流板、絕緣板、端板和殼體等組件構成。為保持電堆溫度一致性和提高低溫環境適應性，端側燃料動力鋰電池單體(最外側燃料動力鋰電池)和集流板之間布置有絕熱板(Thermalinsulatorplate)。

與電堆殼體接觸的端側燃料動力鋰電池易向殼體、大氣環境釋放熱量，導致端側燃料動力鋰電池溫度低于電堆中區(中部區域)燃料動力鋰電池。當端側與中區膜電極溫度相差較大，端側電池中冷凝(condensate)現象較為明顯。上述現象是引起燃料動力鋰電池堆電壓不一致性中的一個重要因素。為降低端側與中區電池溫度差異，既要提高殼體部件的絕熱性能，又要通過與冷卻劑熱交換、載流部件產熱來向電池供應一定熱量。綜上所述，冷卻散熱每個燃料動力鋰電池單體、將端電池溫度控制在合適水平(所有工況下)是燃料動力鋰電池堆熱設計的重要考慮因素。

本田汽車公司在開發燃料動力鋰電池堆過程中已成熟的應用計算機仿真技術，通過對商業化軟件進行原始修改來估算發電過程中燃料動力鋰電池內部環境。和一般燃料動力鋰電池仿真技術相同，由于要評估平面方向上包括壓力、溫度和膜電極含水量等參數，導致了除溫度以外仍需其他參數的大面積計算問題。采用傳統計算仿真技術評價端電池和中部電池溫差有兩種方法：1.對單電池，在電池厚度方向上向輸入參數項新增一個散熱項，關注端電池即可；2.對形成燃料動力鋰電池堆的所有單體和殼體組件進行耦合計算。第一種方法尚未考慮電堆中多片電池串聯導致的溫降，不適合高精度評估；第二種方法雖可以高精度預測端電池溫降，但需大規模計算。本田汽車公司在不進行大規模計算前提下，高精度估算出Clarity燃料動力鋰電池堆層疊方向任一位置處的膜電極溫度。

計算方法驗證

2016版Clarity燃料動力鋰電池汽車電堆的水氣流動方向如下圖所示，空氣和冷卻劑流動方向相同，氫氣則相反。氫氣、氧氣和冷卻劑是發電過程中影響散熱的三種換熱媒介。通過電堆進出口的溫度變化和物理性質值(熱容和流量)計算換熱量，可以確定電流密度分別為0.03A/c㎡、0.1A/c㎡、0.3A/c㎡、0.7A/c㎡、1.5A/c㎡發電條件下換熱媒介的重要熱交換系數。

下圖為不同電流密度工況下氫氣(空氣)與冷卻液的熱交換量比值。結果表明，氫氣和空氣的熱交換量與冷卻液熱交換量比值最大在3%左右。兩種氣體和冷卻液熱交換量比值大小取決于電堆電流密度(因為氣體和冷卻液的進口溫度和流速均不等)。注意，電堆端側氫氣熱交換量負值是因為電堆結構導致，即氫氣流動方向和冷卻液相反。

膜電極的溫度變化重要受熱傳導(平面方向)和熱傳遞(厚度方向)影響，如下圖所示。當膜電極平面方向熱傳導最為顯著時，膜電極平面方向溫度分布較均勻(不受冷卻液從電堆入口到出口的溫度梯度影響)。相反，當膜電極厚度方向熱傳遞最為顯著時，膜電極平面溫度分布隨進出電堆冷卻液溫度梯度變化。

本田汽車公司在2016版Clarity燃料動力鋰電池汽車電堆溫度分布研究中選取了電堆中區燃料動力鋰電池單體的3個測量點(依冷卻液前進方向分進口、中間和出口)，運行條件為0.1A/c㎡電流密度暖機工況。下圖分別為測量點示意圖和溫差圖(進口溫度作為基準)。結果表明，膜電極平面方向溫度分布和冷卻液溫度分布相同。換言之，膜電極溫度與膜電極和冷卻劑之間的熱交換量緊密相關，而與其平面方向的熱傳導次相關。

綜上所述，氫氣(空氣)和燃料動力鋰電池堆熱交換量和膜電極平面方向的熱傳導等因素對膜電極溫度影響較小，可以忽略不計。因此，可以將每個組件在電池平面方向上集中為一點。本田汽車公司之前已經對2016版Clarity燃料動力鋰電池平面方向溫度分布進行了研究，本次計算機仿真技術考察對包括殼體組件在內的電堆層疊方向的溫度分布。雖然三維尺度下的相關參數對計算結果有著不可忽視影響，如雷諾數(表征湍流強度)，但其計算量龐大。因此，除了通用的計算方程和物理參數外，本田汽車公司基于大量實驗基礎數據在計算模型中加入了修正項，確保計算進度較高和計算量較小。經過充分考慮傳感器誤差和波動，實驗與仿真比較后發現，溫度評估精度和實驗值相差±5%。

計算仿真結果

仿真計算中選取電流密度分別為0.03A/c㎡、0.3A/c㎡、0.7A/c㎡、1.5A/c㎡的車用典型工況。比較中區電池、端電池和端板處溫度的實驗與仿真結果可以發現，每種穩態工況下仿真結果最大溫度誤差與實驗值相差3.7%，吻合良好，表明燃料動力鋰電池堆層疊方向的瞬態熱傳遞仿真不局限于特殊運行工況，適用于從低負荷到高負荷的全操作窗口。

使用傳統的二維或三維計算機仿真工具，要使用工作站級別的計算資源。通常，僅燃料動力鋰電池堆中單片中區電池暖機工況的計算就要花費數天甚至更久。相反，本田汽車公司采用的該電堆層疊方向溫度仿真計算技術，使用一臺筆記本即可，僅需60s。即使涉及到電池平面多個點計算，完成整個仿真也花費幾分鐘左右。