張劍波 吳 彬 李 哲

(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084)

車用動力鋰離子電池?zé)崮M與熱設(shè)計的研發(fā)狀況與展望

張劍波 吳 彬 李 哲

(清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084)

車用動力鋰離子電池的熱相關(guān)問題是決定電動汽車性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。文章比較了市場上三款典型電動汽車的熱管理方案，闡述了單體電池?zé)嵩O(shè)計的重要性，系統(tǒng)介紹了電池?zé)嵩O(shè)計的基礎(chǔ)方法——電池?zé)崮M，概述了應(yīng)用電池?zé)崮M指導(dǎo)電池?zé)嵩O(shè)計的嘗試與結(jié)論，最后整理出電池?zé)崮M及熱設(shè)計中需要突破的關(guān)鍵問題 。

鋰離子電池；熱模擬；熱設(shè)計；熱管理；電動汽車

1 引 言

汽車電動化是世界汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要趨勢，也是中國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。制約電動汽車大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸技術(shù)是大型動力電池，而電池的熱相關(guān)問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關(guān)鍵因素。

首先，鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，而在過低溫度下(如低于0℃)對電池進行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現(xiàn)象，造成內(nèi)部析鋰進而引發(fā)短路。

其次，鋰離子電池的熱相關(guān)問題直接影響電池的安全性。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當(dāng)操作等可能造成電池局部過熱，進而引起連鎖放熱反應(yīng)，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴(yán)重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。

另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池存放的適宜溫度為10～30℃之間[1]，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內(nèi)部熱量不易散出，更可能出現(xiàn)內(nèi)部溫度不均、局部升溫過快等問題，從而進一步加速電池衰減，縮短電池壽命，增加了用戶的總擁有成本。

因此，設(shè)計車用動力鋰離子電池時，除了像設(shè)計手機類傳統(tǒng)電池時要考慮容量、能量、功率等電學(xué)特性之外，對電池?zé)崽匦赃M行深入分析和細致設(shè)計變得格外重要。本文首先比較幾款典型電動汽車的熱管理方案，以此來說明單體電池?zé)嵩O(shè)計的重要性；接下來對電池?zé)嵩O(shè)計的基礎(chǔ)——電池?zé)崮M進行系統(tǒng)的介紹；進而闡述應(yīng)用電池?zé)崮M指導(dǎo)電池?zé)嵩O(shè)計的方法；最后，對電池?zé)崮M及熱設(shè)計中需要突破的關(guān)鍵問題進行分析和整理。

2 從典型電動汽車熱管理方案看單體電池?zé)嵩O(shè)計

車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是應(yīng)對電池的熱相關(guān)問題，保證動力電池使用性能、安全性和壽命的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產(chǎn)生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預(yù)熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；(3)減小電池組內(nèi)的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，降低電池組整體壽命。

Tesla Motors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)[2]。車載電池組由6831節(jié)18650型鋰離子電池組成，其中每69節(jié)并聯(lián)為一組(brick)，再將9組串聯(lián)為一層(sheet)，最后串聯(lián)堆疊11層構(gòu)成。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液為50%水與50%乙二醇混合物。圖1(a)為一層(sheet)內(nèi)部的熱管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內(nèi)部流動，帶走電池產(chǎn)生的熱量。圖1(b)是冷卻管道的結(jié)構(gòu)示意圖。冷卻管道內(nèi)部被分成四個孔道，如圖1(c)所示。為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動的流場設(shè)計，冷卻管道的兩個端部既是進液口，也是出液口，如圖1(d)所示。電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導(dǎo)熱性能良好的材料(如Stycast2850/ct)，其作用是：(1)將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，增大傳熱效率；(2)促進電池間熱交換，有利于提高單體電池間的溫度均一度(相當(dāng)于被動熱均衡)；(3)提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫升。

通過上述熱管理系統(tǒng)，Roadster電池組內(nèi)各單體電池的溫度差異控制在±2℃內(nèi)。2013年6月的一份報告顯示，在行駛10萬英里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數(shù)明顯相關(guān)，而與環(huán)境溫度、車齡關(guān)系不明顯[3]。上述結(jié)果的取得依賴電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的有力支撐。

通用汽車公司的Volt插電式混合動力汽車使用了288節(jié)45Ah的層疊式鋰離子電池[4]。電池組的電氣連接可等效為96片單體串聯(lián)成組，3組并聯(lián)。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設(shè)計方案(見圖2)，以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質(zhì)。單體電池間間隔布置了金屬散熱片(厚度為1mm)，散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內(nèi)流動帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。

圖1 Roadster的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)示意圖[2]Fig.1. Schematic of the thermal management system in Roadster

圖2 Volt的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)示意圖[4]Fig.2. Schematic of the thermal management system in Volt

Volt的電池組內(nèi)的溫度差可控制在2℃以內(nèi)，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

日產(chǎn)汽車公司的LEAF純電動汽車采用了少見的被動式電池組熱管理系統(tǒng)[5]。電池組由192節(jié)33.1Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊，48個模塊串聯(lián)組成電池組。電池組采用密封設(shè)計，外界不通風(fēng)，內(nèi)部亦無液冷或空冷的熱管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。LEAF所采用的鋰離子電池經(jīng)過電極設(shè)計后降低了內(nèi)部阻抗，減小了產(chǎn)熱率，同時薄層(單體厚度7.1mm)結(jié)構(gòu)使電池內(nèi)部熱量不易產(chǎn)生積聚，因此可以不采用復(fù)雜的主動式熱管理系統(tǒng)。電池組的壽命保證期是8年或16萬公里。

對比市場上三款典型電動汽車的熱管理系統(tǒng)，日產(chǎn)LEAF所采用的被動式熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最為簡單，但電池組的保證期間與另兩款電動汽車不相上下。究其原因，單體電池的熱特性差異是重要因素。因此，單體電池的熱特性是電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計的基石，單體電池?zé)崽匦缘母纳瓶梢越档碗姵亟M熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度，減小電池組重量，降低成本。

3 電池?zé)嵩O(shè)計的基礎(chǔ)——電池?zé)崮M

為了改善單體電池的熱特性，需要在單體層次進行電池的熱設(shè)計，而電池?zé)崮M是熱設(shè)計的主要手段之一，可以顯著節(jié)省設(shè)計時間和成本。電池?zé)崮M的結(jié)果可用于指導(dǎo)電池的熱設(shè)計，通過優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)、尺度與局部部件設(shè)計，能夠顯著降低充放電過程中的電池內(nèi)部溫升，同時提高內(nèi)部溫度分布的均勻性。本節(jié)將從電池?zé)崮Ｐ?、熱參?shù)、產(chǎn)熱率及驗證實驗等方面介紹電池?zé)崮M的研究現(xiàn)狀。

電池?zé)崮M的基本方程為

式中的是電芯密度，Cp是電芯比熱容，T是溫度，k是電芯導(dǎo)熱系數(shù)，qg是電芯產(chǎn)熱率。

電池表面的微元與外部環(huán)境在外法線方向上的熱交換給定的邊界條件為：

其中，h為電池與外部環(huán)境的對流換熱系數(shù)，Ta為外部環(huán)境的絕對溫度。

根據(jù)所關(guān)注維度的不同，電池的熱模型可分為零維模型(集中質(zhì)量模型)，以及一維[6,7]、二維[8,9]和三維模型[10-12]等。結(jié)構(gòu)不同的電池，其受關(guān)注的維度方向各不相同。圓柱形電池往往采用零維模型、一維(徑向)模型[6,7,13]或二維(徑向、軸向)模型[9,14-16]；方形層疊式電池往往采用二維(電極平面)模型[15,16]或三維模型[10-12]；方形卷繞式電池往往采用三維模型[17]。

根據(jù)對電池內(nèi)部電流分布的不同假設(shè)，公式(1)中電池產(chǎn)熱率qg的計算方法也不相同。按照此方法分類，電池的熱模型可分為均一電流模型[6-9]和電流分布模型[14-16,18,19]。均一電流模型假設(shè)電池內(nèi)部的電流密度是均勻分布，產(chǎn)熱率計算簡單，對于小尺度的電池可達到較高的模擬精度，對于電池組的熱管理具有重要的實用價值，但當(dāng)電池尺度偏大或電池內(nèi)部熱設(shè)計極端不合理時，該類模型的精度往往有所下降，也無法對電池內(nèi)部的最高溫度、局部熱點位置等進行合理的預(yù)測。電流分布模型通過熱—電耦合方法或熱—電化學(xué)耦合方法計算電池內(nèi)部的電流分布，進而計算各處的產(chǎn)熱率，與均一電流模型相比精度較高，但計算復(fù)雜度也相應(yīng)增加。電流分布模型對指導(dǎo)電池單體的熱設(shè)計、優(yōu)化電池的制造和裝配方法等具有重要意義。

3.1 熱參數(shù)估算方法

電池?zé)釁?shù)包括電芯的比熱容，導(dǎo)熱系數(shù)及表面對流換熱系數(shù)等。準(zhǔn)確的熱參數(shù)測量結(jié)果是建立高效、可靠的模擬方法的基礎(chǔ)。本節(jié)介紹電池?zé)釁?shù)的傳統(tǒng)測量方法和新型測量方法。

3.1.1 傳統(tǒng)熱參數(shù)測量方法

導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類。

穩(wěn)態(tài)法在物體溫度分布達到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過測量熱流量和溫度差，以傅里葉導(dǎo)熱定律計算導(dǎo)熱系數(shù)。Verbrugge[20]將電池的正、負極片及隔膜制成板狀組件，有序疊放在加熱組件兩側(cè)，并在組件間放置熱電偶。加熱組件以恒定功率發(fā)熱，測量穩(wěn)態(tài)時的板間溫度差，計算出測量對象的導(dǎo)熱系數(shù)。穩(wěn)態(tài)法原理簡單，測量時間較長，測量過程中的邊界條件較難控制，需要考慮被測對象向外界的散熱及壓緊力對組件間接觸熱阻的影響等因素，誤差修正較為復(fù)雜。

瞬態(tài)法則通過測量瞬態(tài)導(dǎo)熱過程中物體溫度變化，以瞬態(tài)導(dǎo)熱微分方程為基礎(chǔ)計算熱擴散系數(shù)，進而求出導(dǎo)熱系數(shù)。Verbrugge[20]利用瞬態(tài)法測量電池的導(dǎo)熱系數(shù)，在測試樣品的一端以激光施加脈沖式加熱，另一端通過傳感器測量溫升曲線，從而計算出導(dǎo)熱系數(shù)。非穩(wěn)態(tài)法的測量時間短，效率高，但對試樣制作和測量儀器要求高。

比熱容具有質(zhì)量加和性，因此對已知組成物比熱容及比例的電池可通過計算確定比熱容。此外，電池比熱容也可以通過加速量熱儀[21]、等溫電池量熱儀[22]等測量得到。加速量熱儀可近似為測量對象提供絕熱環(huán)境，以已知功率的熱源加熱電池，測量一段時間后的電池溫度變化，進而可計算電池的比熱容。等溫電池量熱儀通過測量電池溫度升高或降低 1℃ 過程中所吸收或放出的熱量來計算電池的比熱容。

對流換熱系數(shù)評價流動傳熱中流體與壁面間熱量交換的強弱，與流動形態(tài)、流體熱物性、表面幾何因素等密切相關(guān)。對流換熱系數(shù)的確定方法包括分析法、類比法、數(shù)值法和實驗法等。工程中常采用相似準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的方法估算對流換熱系數(shù)[23]。

3.1.2 新型熱參數(shù)測量方法

鋰離子動力電池具有以下結(jié)構(gòu)特點：第一，電池往往采用層疊式或卷繞式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱系數(shù)具有各向異性；第二，電芯與殼體材料間的熱物性差異較大，因此在測量中需將電芯與殼體材料分開考慮；第三，電芯處于電解液浸沒狀態(tài)，電解液含量對電芯的熱物性可能存在重要影響，在測量時電芯應(yīng)處于正常含量的電解液浸潤中，因此需對電芯熱參數(shù)進行原位測量。

熱阻抗譜分析法[24]采用類比分析的方法可以建立一套基于熱阻、熱容概念的熱阻抗譜分析方法。以不同的加熱頻率加熱電池，測量電池的溫度響應(yīng)，仿照電化學(xué)阻抗的分析方法，可計算得到等效熱電路的熱阻、熱容，進而求取電池的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容。

Zhang 等[25]提出了一種實驗與數(shù)值解優(yōu)化結(jié)合的方法，實現(xiàn)了對大型動力電池多個熱參數(shù)的同時、原位測量，包括電芯的比熱容、各向異性的導(dǎo)熱系數(shù)等，為建立高精度單體電池?zé)崮Ｐ吞峁┝溯^為可靠的參數(shù)輸入，并為評價單體電池的熱性能、提高單體電池的熱設(shè)計水平提供參考。首先，在電池表面放置熱源，測量電池單體上多點的瞬態(tài)溫度變化情況；繼而，在仿真軟件中建立簡化的反映實驗過程的傳熱模型，以文獻參考值作為初值輸入模型，計算得到對應(yīng)各點的溫度情況；最后，在優(yōu)化軟件中，通過不斷調(diào)整模型的熱參數(shù)輸入，將各點溫度的數(shù)值解與實驗所得的真實溫度進行對比，并最終鎖定使兩者差異最小的熱參數(shù)取值，這一對應(yīng)取值即為本方法的測量值。

3.2 產(chǎn)熱率模型與估算方法

電池的產(chǎn)熱率與電池的溫度與荷電狀態(tài)等密切相關(guān)。準(zhǔn)確的電池產(chǎn)熱率輸入對提高電池?zé)崮M的精度有著十分重要的作用。

Bernardi 等[26]根據(jù)熱力學(xué)第一定律推導(dǎo)出的電池產(chǎn)熱率的表達式為：

式中等號右側(cè)的第一項代表電池對外做的電功，第二項是電池內(nèi)部各反應(yīng)的焓變總和，第三項是混合熱，第四項是材料的相變熱。

Bernardi產(chǎn)熱模型在忽略混合熱和相變熱后可以簡化為[27]：

上式中的第一項是電池的過電位引起的不可逆產(chǎn)熱；第二項是電池的可逆熱。簡化后的 Bernardi 產(chǎn)熱模型在鋰離子電池的熱模型中得到了廣泛的應(yīng)用。

不可逆熱一般采用等效內(nèi)阻方法進行計算，即：

式中的R是等效內(nèi)阻，與電池溫度和荷電狀態(tài)有關(guān)。

等效內(nèi)阻的常見測量方法包括[27]：

(1)電壓—電流曲線法：測量不同溫度和倍率下的放電曲線，繪制不同溫度和荷電狀態(tài)下的電壓—電流曲線，從曲線斜率計算對應(yīng)溫度和荷電狀態(tài)下的等效內(nèi)阻；

(2)電流間斷法：對某溫度和荷電狀態(tài)下的電池施加電流脈沖，測量電壓變化曲線，根據(jù)電流脈沖的幅值和電壓變化量可計算等效內(nèi)阻；

(3)交流阻抗法：測量電池的電化學(xué)阻抗譜，將Warburg 阻抗起作用前的電池阻抗的實部算作等效內(nèi)阻。

對于大型電池，直接應(yīng)用電壓—電流曲線法測量等效內(nèi)阻，會遇到電池溫升較大[28]，所測結(jié)果難以對應(yīng)某個溫度的困難。為解決該問題，Huang等[29]提出使用相同電極材料、尺寸成比例縮小、單個電極對的模型電池來替代大型電池進行放電實驗，以使放電過程中電池溫度基本不變。模型電池的實驗結(jié)果可以通過單位電極面積的等效內(nèi)阻相等折算為大型電池的等效內(nèi)阻。

Huang等[29]還提出使用能量法測量等效內(nèi)阻。根據(jù)能量守恒定律，在充電過程中，測試儀器向電池提供的能量 Echa可分為三個部分：電池自身儲存的能量Ebat，不可逆產(chǎn)熱和可逆產(chǎn)熱；在相同倍率的放電過程中，電池放出的能量 Ebat也可分為三個部分：電池所做的電功Edis，不可逆產(chǎn)熱和可逆產(chǎn)熱。假設(shè)充、放電過程中的不可逆熱部分保持一致，而可逆熱部分大小相等、符號相反，則不可逆熱部分大小為

式中I為充電或放電電流大小，R為等效內(nèi)阻，t為充電或放電時間。

與其他測量等效內(nèi)阻的方法相比，能量法除了充、放電實驗外不需要進行額外的實驗，實驗任務(wù)最少。

可逆熱的常見測量方法可分為兩類[27]：

(1)量壓法：測量不同荷電狀態(tài)下的電池開路電壓隨溫度的變化規(guī)律，計算熵系數(shù)，進而計算可逆熱；

(2)量熱法：以相同倍率分別對電池進行充、放電，測量充、放電過程中的放熱量分別為Qcha和Qdis。假設(shè)相同倍率的充、放電過程中不可逆熱相等，而可逆熱大小不變，符號相反，則可逆熱的大小為(Qcha—Qdis)／2。

上述測量方法大多是通過測量電學(xué)量來間接計算電池產(chǎn)熱率，因此，需要在量熱儀中對電池的整體產(chǎn)熱率進行直接驗證，以確認(rèn)產(chǎn)熱率測量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.3 熱模型精度的驗證方法

驗證實驗可以直接檢驗?zāi)M結(jié)果的準(zhǔn)確度，為模型改進提供參照。溫度是熱模型需要驗證的主要物理量。電池溫度測量可分為表面溫度測量和內(nèi)部溫度測量兩部分。

表面溫度測量的手段包括紅外熱像儀[16]、熱電偶[17]等。其中，紅外成像儀可以測量溫度分布，溫度分辨率高，但其對應(yīng)單點的測量準(zhǔn)確度較低；熱電偶的測量準(zhǔn)確度高于紅外熱像儀，但不能得到表面的溫度分布信息。

電池表面測量得到的溫度不能完全反映電池內(nèi)部的溫度狀態(tài)，特別是在電池大型化后，由于電芯導(dǎo)熱系數(shù)不高，電池比熱容較大，內(nèi)外溫度差異與分布更加明顯。因此，為了全面了解大型電池的內(nèi)外溫度分布，驗證熱模型的模擬結(jié)果，需要開發(fā)電池內(nèi)部的溫度測量方法。

Li等[28]在層疊式鋰離子電池中預(yù)埋了多支熱電偶，系統(tǒng)地研究了電池在不同散熱環(huán)境(絕熱、自然對流、強制對流)下以不同倍率放電時的內(nèi)部溫度分布及演化。實驗結(jié)果表明，電池制作過程中預(yù)埋傳感器未對電池的性能造成明顯影響；對于厚度薄的層疊式鋰離子電池，電極平面內(nèi)的溫度梯度遠大于電極厚度方向的溫度梯度。用熱電偶預(yù)埋測量電池內(nèi)部溫度分布，為全面、嚴(yán)格驗證電池?zé)崮Ｐ吞峁┝丝赡堋?/p>

4 電池?zé)崮M指導(dǎo)電池?zé)嵩O(shè)計

通過比較不同結(jié)構(gòu)、尺寸、熱電參數(shù)下的電池?zé)崮M結(jié)果，可以為電池?zé)嵩O(shè)計提供參考。本部分將從結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺度設(shè)計和極耳等關(guān)鍵熱部件設(shè)計等方面介紹已有的一些熱設(shè)計結(jié)論。

4.1 電池結(jié)構(gòu)設(shè)計

Inui等[17]采用了三維均一電流熱模型，比較了相同容量和體積的方形卷繞式與方形層疊式電池的溫度分布特點。模擬結(jié)果表明，扁平的層疊式電池在放電過程中的最高溫度低于卷繞式電池，1C放電過程中兩款電池的內(nèi)部最高溫度相差10℃以上；疊片式和卷繞式設(shè)計對電池內(nèi)部溫度分布的均勻性影響不大，1C放電過程中每款電池內(nèi)部的最大溫差均在℃左右。

4.2 電池尺度設(shè)計

Al-Hallaj等[13]采用圓柱式電池的一維徑向模型，比較了依照長徑比相同原則進行容量依次放大后的幾款圓柱式電池在不同放電倍率下的徑向溫度差異；Inui等[17]采用了三維均一電流熱模型，比較了兩款體積相同、容量相同但長厚比不同的方形卷繞式電池其溫度分布情況的差異。

首先，電池尺度等比放大后，其同一放電倍率下的最高溫升明顯增加。Al-Hallaj等[13]指出,當(dāng)電池容量從10Ah擴大至100Ah時，其C/2放電倍率下的最高溫升增長了10℃以上。

其次，保持電池的體積與容量不變，改變電池的長厚比(對于圓柱式電池為長徑比)也將影響電池的內(nèi)部溫度分布情況。Inui等[17]將方形卷繞式電池的橫截面從正方形變?yōu)槊娣e相等的矩形(長厚比從1:1變?yōu)?:1)后，電池從100%SOC采用1C放電至放空時的最高溫度下降了約3℃左右。

4.3 電池關(guān)鍵部件設(shè)計

在18650等小型電池中，極耳的作用主要是收集集流板的電流，并與外界實現(xiàn)電聯(lián)接。極耳的個數(shù)、位置影響著電池的功率特性。對于能量型電池，常采用在極片兩端加兩片極耳的設(shè)計。對功率型電池，常需要在極片一側(cè)設(shè)置多個極耳[30]。對于大型動力電池，極耳不僅影響電池的電特性，也對電池內(nèi)部的溫度分布有較大影響。Kwon等[15]指出，電池放電初始，極耳附近電流密度大、溫度高，然而，放電后期，極耳附近的溫度卻低于遠離極耳的端部溫度。Kwon等認(rèn)為，在放電初始時，極耳附近的電流較大、反應(yīng)劇烈、產(chǎn)熱較多、溫升迅速，而當(dāng)放電持續(xù)進行一段時間后，極耳附近區(qū)域的荷電狀態(tài)明顯低于其他部位，此時，遠離極耳區(qū)域的電化學(xué)反應(yīng)速率反而高于極耳附近區(qū)域，因此，在放電過程中后期，遠離極耳的端部溫度逐漸超過了極耳區(qū)域溫度。

Kwon等[15]還指出，極耳寬度增大時，電池在大倍率下的放電曲線更為平坦、放電后極板荷電狀態(tài)的均一性也較好。但是，過大的極耳寬度將縮小兩極耳間距、降低電流分布的均一性，因此，極耳的寬度存在合理的上下限范圍，設(shè)計電池時應(yīng)通過對比實驗謹(jǐn)慎選取。

能量型層疊式動力電池中正負極極耳多設(shè)置在電池的同一側(cè)，功率型則多設(shè)置在對側(cè)。李等[28]提出，對于一款25Ah能量型軟包鋰離子電池，設(shè)置在電池同一側(cè)的正、負極極耳附近在放電過程中都是溫度較高的區(qū)域，其中正極極耳附近溫度更高，這是因為極耳在放電過程中起著匯聚電流的作用，靠近極耳區(qū)域的電流密度較大；另外，極耳會因為自身電阻而產(chǎn)生歐姆熱，對極耳附近區(qū)域也起到了加熱作用。兩種因素綜合作用使得極耳附近區(qū)域溫度較高。由于正極極耳(鋁)的電阻率大于負極極耳(銅鍍鎳)，正極集流體(鋁)的電阻率也要大于負極集流體(銅)，因此正極極耳附近的溫度還要高于負極極耳附近。

5 總結(jié)與展望

鋰離子動力電池的熱設(shè)計對于改善單體電池?zé)崽匦?，提高電池系統(tǒng)熱安全性，降低熱管理系統(tǒng)復(fù)雜性至關(guān)重要。通過整理、分析電池?zé)嵩O(shè)計領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，我們認(rèn)為在產(chǎn)熱模型與測量方法、熱模擬與驗證及電池?zé)嵩O(shè)計理論三方面存在以下亟待解決的科學(xué)問題。在這些問題上的突破，可望大大提高動力電池?zé)嵩O(shè)計的能力。

在產(chǎn)熱模型與測量方法方面：

(1)電池大型化后，在內(nèi)部物理量分布變得明顯的情況下，產(chǎn)熱率與過電壓間的對應(yīng)關(guān)系有待驗證；工況復(fù)雜化后，頻繁地起停會引發(fā)混合熱等新現(xiàn)象。因此，大型動力電池在復(fù)雜工況下的產(chǎn)熱規(guī)律未必能用簡化后的Bernardi產(chǎn)熱模型進行描述，有必要進行深入研究；

(2)在產(chǎn)熱測量方法上，量壓法測量熵系數(shù)的實驗時間很長，有必要開發(fā)快速測量電池開路電壓的方法；在不可逆熱的測量中，需要比較已有的多種等效內(nèi)阻測量方法；需要開發(fā)新方法測量混合熱；此外，還需要對上述測量結(jié)果進行量熱儀的驗證。

在熱模擬與驗證實驗方面：

(1)需要分析不同構(gòu)型電池的溫度分布特征，確定各自面臨的主要熱問題；

(2)分析產(chǎn)熱、傳熱、散熱三種能力的決定因素，以及三種能力的大小、匹配對電池溫度分布的影響；

(3)建立適用于不同使用場合的不同復(fù)雜度的多種電池?zé)崮Ｐ停?/p>

(4)對計算結(jié)果進行多物理量的內(nèi)部、分布式驗證。

在電池?zé)嵩O(shè)計理論方面：

(1)在傳熱系統(tǒng)設(shè)計的通用準(zhǔn)則上，結(jié)合電池的特殊性提出電池?zé)嵩O(shè)計的一般方法；

(2)比較大型電池電芯內(nèi)部并聯(lián)與小型電池外部并聯(lián)兩種技術(shù)方案的優(yōu)劣，確定電池大型化后的容量理論上限；

(3)針對混合動力汽車，插電式混合動力汽車和純電動汽車的不同特點，提出適應(yīng)于不同電動汽車用途的單體電池?zé)嵩O(shè)計方案；

(4)比較圓柱形、方形層疊式和方形卷繞式電池的結(jié)構(gòu)特點，探尋不同構(gòu)型電池在熱特性上的本質(zhì)優(yōu)缺點。

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Thermal Modeling and Thermal Design of Iithium-Ion Batteries for Automotive Application: Status and Prospects

ZHANG Jianbo WU Bin LI Zhe
( State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Thermal issues of lithium-ion batteries for automotive application are key factors affecting the performance, safety, life and cost of electric vehicles. In this work, the thermal management systems of three typical electric vehicles were analyzed to identify the importance of the thermal design for the single batteries. Special attention was paid to the review of the thermal modeling, which served as the fundamental method for the thermal design. Finally, the directions for further researches on the thermal modeling and thermal design were summarized.

lithium-ion battery; thermal modeling; thermal design; thermal management; electric vehicle

U 464.9

A

2013-11-20

國家自然科學(xué)青年基金項目(51207080)，清華大學(xué)校自主課題(2011Z01004)。

張劍波，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向為車用燃料電池與鋰離子電池；吳彬，碩士研究生，研究方向為鋰離子電池的熱模擬和熱設(shè)計；李哲(通訊作者)，博士，研究方向為動力電池的熱模擬與熱設(shè)計、老化模型與狀態(tài)預(yù)測，E-mail：lizhe1212@gmail.com。