摘要：鋰離子電池?zé)峁芾碓O(shè)計大多從電池封裝層面考慮熱管理與電池系統(tǒng)的結(jié)合，容易忽略對電芯本身傳熱行為和電芯級熱管理設(shè)計的細節(jié)研究。為此，研究方形鋰離子電芯傳熱行為和影響電芯傳熱的關(guān)鍵參數(shù)，建立方形鋰離子電芯傳熱數(shù)學(xué)模型，通過不同傳熱位置、傳熱面的對比計算進行測試驗證，確定方形鋰離子電芯最佳的熱管理設(shè)計傳熱位置。研究結(jié)果可為鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；電芯；熱模型；熱管理

0 前言

發(fā)展新能源汽車是我國由汽車大國邁向汽車強國的必由之路，但隨著我國新能源汽車銷量和保有量的增加，新能源汽車起火事故也時有發(fā)生［1］。

熱管理系統(tǒng)設(shè)計是制約新能源汽車發(fā)展的瓶頸問題，設(shè)計穩(wěn)定、高效的熱管理系統(tǒng)對于提高新能源汽車的安全性具有重大意義。

鋰離子電池?zé)峤Ｊ卿囯x子電池?zé)峁芾淼幕A(chǔ)。其中，傳熱特性建模和產(chǎn)熱特性建模是鋰離子電池?zé)峤５? 個重要方面［2］。在現(xiàn)有電池傳熱特性建模的研究中，鋰離子電池被認為具有各向異性的導(dǎo)熱特性［3-6］。因此，研究鋰離子電池不同傳熱位置和傳熱面對電池散熱導(dǎo)熱性能的影響，對設(shè)計高效、可靠的鋰離子電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具有十分重要的意義。

1 電芯等效導(dǎo)熱模型

采用磷酸鐵鋰電池50 A·h 款電芯作為研究對象，對其傳熱行為特性進行詳細分析，提出新的熱管理設(shè)計思路。電芯外形如圖1 所示，具體尺寸參數(shù)見表1。鋰離子電池結(jié)構(gòu)一般包括正極、負極、電解質(zhì)、隔膜、正極引線、負極引線、中心端子、絕緣材料、安全閥、正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻和電池殼。

正極和負極極片間夾著隔膜，通過卷繞形成電芯或?qū)盈B形成極群。將多層電芯結(jié)構(gòu)簡化為尺寸一致的電芯材料，對電芯熱物理參數(shù)進行等效處理，如圖2 所示。電池單體電芯材料假設(shè)為具有各項異性導(dǎo)熱系數(shù)特性的長方體單元，設(shè)垂直于層疊方向的導(dǎo)熱系數(shù)（λz）小于平行于層疊方向的導(dǎo)熱系數(shù)（λx、λy）［7-8］。

2 電芯面散熱能力

電芯導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果見表2。使用該電芯進行電池包系統(tǒng)集成時，電芯熱管理設(shè)計的散熱面包括除極耳面之外的另外5 個外表面，對其進行散熱能力評估和計算，確定電芯在假設(shè)負載發(fā)熱時，熱量的散熱路徑。

本文旨在研究電池包集成時熱管理電芯級傳熱的最佳方式，因此，將電芯5 個散熱面分為3 組，對應(yīng)電芯與系統(tǒng)熱管理結(jié)構(gòu)貼合的3 種不同選擇，如圖3 所示。

如果選擇正面?zhèn)鳠幔赐ㄟ^電芯最大的正面和背面?zhèn)鳠?，熱量從電芯?nèi)部通過λz 導(dǎo)熱系數(shù)的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面?zhèn)鞒觯蝗绻x擇側(cè)面?zhèn)鳠?，熱量從電芯?nèi)部通過λy 導(dǎo)熱系數(shù)的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面?zhèn)鞒?；如果選擇底面?zhèn)鳠幔瑹崃繌碾娦緝?nèi)部通過λx 導(dǎo)熱系數(shù)的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面?zhèn)鞒觥?/p>

熱管理設(shè)計最優(yōu)選擇是系統(tǒng)液冷板或者風(fēng)道能夠接觸到電芯散熱能力最強的表面。目前系統(tǒng)設(shè)計多從有利于系統(tǒng)集成的角度設(shè)計液冷板位置或者風(fēng)道流向，忽略了電芯各表面?zhèn)鳠崮芰Φ南到y(tǒng)評估。在外界環(huán)境參數(shù)一致的假設(shè)下，選擇不同電芯表面作為散熱面，即選擇不同導(dǎo)熱系數(shù)、散熱面積和散熱路徑。散熱面關(guān)鍵參數(shù)如圖4 所示，電芯散熱路徑如圖5 所示。

電池通過6 個表面與外界進行換熱，假設(shè)每個表面的導(dǎo)熱系數(shù)（h）相等，則傳熱的平衡方程為［9］：

由表3 可以看出：當ΔT 為1 K 時，如果A1 和A2 作為主要散熱面，熱流量為3.39 W；如果A3 和A4 作為主要散熱面，熱流量為4.68 W；如果A5 作為主要散熱面，熱流量為0.78 W。因此，以熱流量來衡量，電池側(cè)面（A3、A4）是最佳位置，電池底面（A5）是最差位置。

對電芯外部環(huán)境絕熱時，計算電芯溫升并進行仿真計算對比，作為電芯熱管理設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，電芯材料數(shù)據(jù)見表4。

取該電芯1 C 充放電為研究工況，充電或者放電時間為3 600 s，電芯內(nèi)部生熱速率為6.4 W，電芯和鋁外殼的總質(zhì)量為1.43 kg，將其作為整體考慮時，比熱容為1 026.3 J/（kg·K）［10］。

假設(shè)環(huán)境溫度為295 K，且電芯保持不向周邊環(huán)境散熱時，電芯溫升為15.7 K，電芯在工況完成時，電芯溫度為310.7 K。

按照以上材料性質(zhì)和生熱過程設(shè)置仿真邊界條件，電芯溫升的有限元分析（FEA）仿真結(jié)果如圖6 所示。計算結(jié)果與FEA 仿真結(jié)果的對比如圖7所示。由圖6、圖7 可以看出：電芯溫度場分布為310.72～310.95 K，與計算結(jié)果一致，證明電芯FEA數(shù)學(xué)建模準確可靠，F(xiàn)EA 結(jié)果能夠有效驗證電芯的傳熱行為。

3 計算與仿真對比

考慮方形鋰離子電芯的模組集成方式，目前已有的模組結(jié)構(gòu)熱管理接觸面選擇設(shè)計包括電池底面（A5）傳熱方案、電池側(cè)面（A3+A4）傳熱方案，未發(fā)現(xiàn)有置于電池正面和背面（A1+A2）的方案設(shè)計［11］。在相同外部環(huán)境和電芯生熱速率載荷下，本文假設(shè)相同導(dǎo)熱系數(shù)時，選擇電池底面?zhèn)鳠岱桨富螂姵貍?cè)面?zhèn)鳠岱桨?，比較電芯的溫差及溫升結(jié)果。

3. 1 傳熱方案

3. 1. 1 電池底面?zhèn)鳠岱桨?/p>

假設(shè)環(huán)境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數(shù)不做調(diào)整，選擇電池底面作為電芯熱管理接觸面。

已知A5 面積為4 028.8 mm2，當溫差為1 K 時，由電芯傳至A5 散熱面的熱流量為0.78 W；在假設(shè)條件1 C 倍率充放電時，平均生熱速率為6.4 W；按照溫升15.7 K 計算，考慮完成充電或者放電過程，A5 散熱面的平均熱流量為6.12 W，即電芯熱量無法有效傳遞到A5 散熱面。此時，電芯本體成為散熱能力的短板，通過A5 散熱面設(shè)計高效的傳熱結(jié)構(gòu)也無法提升電芯本身的低散熱效率。

3. 1. 2 電池側(cè)面?zhèn)鳠岱桨?/p>

假設(shè)環(huán)境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數(shù)同前章節(jié)，選擇電池側(cè)面作為電芯熱管理接觸面。

選擇雙面方案時，散熱面積為10 577 mm2；選擇單面方案時，散熱面積為5 288.5 mm2。按照電池底面?zhèn)鳠岱桨赶嗤脑u估方式，1 C 充放電時，選擇雙面方案，能夠傳遞至散熱面的最大熱流量能夠達到36.7 W；選擇單面方案，能夠傳遞至散熱面的最大熱流量能夠達到18.35 W，均優(yōu)于電池底面?zhèn)鳠岱桨浮＿@說明只要散熱面的散熱能力足夠，可以保證電芯熱量被迅速由電芯—散熱面—散熱結(jié)構(gòu)的路徑帶走。對于方形鋰離子電芯來說，選擇電池側(cè)面作為散熱面更加合理，且雙面方案在減小電芯本體溫差方面會有更優(yōu)表現(xiàn)。

3. 2 數(shù)值計算對比

采用數(shù)值計算軟件對方形鋰離子電芯不同散熱面進行同熱源參數(shù)計算，以驗證電池底面?zhèn)鳠岱桨负碗姵貍?cè)面?zhèn)鳠岱桨傅纳嵝Ч?。環(huán)境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數(shù)同前章節(jié)。假設(shè)電池底面?zhèn)鳠岱桨负碗姵貍?cè)面?zhèn)鳠岱桨干崦鎸?dǎo)熱能力保持一致，即采用相同的外部導(dǎo)熱方案并采用相同的界面導(dǎo)熱處理方式。

2 個傳熱方案的電芯溫度場分布如圖8 所示，電芯溫升曲線如圖9 所示。由圖8、圖9 可以看出：1 C 充放電工況下，電池底面?zhèn)鳠岱桨钢须娦咀罡邷囟壬咧?00.62 K，最大溫升為5.62 K，最大溫差為3.1 K；1 C 充放電工況下，電池側(cè)面?zhèn)鳠岱桨钢须娦咀罡邷囟壬咧?96.92 K，最大溫升為1.92 K，最大溫差為0.97 K。

對比2 個方案的數(shù)值計算結(jié)果，可以得出：

（1） 選擇電池側(cè)面作為電芯散熱面，電芯最大溫升和最大溫差都可以得到改善。

（2） 比較溫升曲線的末端斜率可以看出，電池底面?zhèn)鳠岱桨傅臏厣€隨著工況時間加長，電芯最高溫度會繼續(xù)增加（如充放電循環(huán)），而電池側(cè)面?zhèn)鳠岱桨笢厣€末端接近平衡，即隨著工況時間加長，溫升和溫差無明顯變化。

綜上所述，對電芯進行熱管理散熱位置選擇時，電池側(cè)面?zhèn)鳠岱桨竷?yōu)于電池底面?zhèn)鳠岱桨浮?/p>

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬和公式計算方式，驗證了鋰離子電芯在進行熱管理設(shè)計時，需要評估熱管理散熱位置的散熱能力，以確定最佳散熱面；需要進一步確定影響散熱能力的關(guān)鍵參數(shù)，如電池尺寸、生熱速率、散熱流量及導(dǎo)熱路徑距離。從電芯層面分析傳熱行為與傳熱特性，能夠有效解決目前電池封裝系統(tǒng)熱管理時，忽略電芯傳熱能力、重視系統(tǒng)集成工藝所帶來的系統(tǒng)級熱管理設(shè)計不夠精確和細致的問題，為高效的電池封裝熱管理系統(tǒng)提供新的思路和方法。通過對方形鋰離子電芯散熱行為及散熱機理的研究，得出以下結(jié)論：

（1） 鋰離子電芯熱管理方案散熱能力會受垂直于散熱面的導(dǎo)熱系數(shù)、熱源中心與散熱面的路徑距離、熱管理方案散熱面尺寸和散熱面與周圍環(huán)境溫差4 個參數(shù)影響。

（2） 進行鋰離子電芯熱管理設(shè)計散熱面選擇時，所選擇研究對象的側(cè)面?zhèn)鳠岱桨竷?yōu)于底面?zhèn)鳠岱桨?，但對于不同尺寸方形電芯，需要計算不同散熱面的散熱能力，才能確定最好的散熱位置。

（3） 采用公式計算評估散熱能力，以數(shù)值模擬進行驗證，結(jié)果完全吻合，表明該計算方式是有效的，在進行方形電芯熱管理設(shè)計時可參考使用。

5 展望

本文僅從電芯熱管理研究了電芯傳熱機理與傳熱行為特點，忽略電芯傳熱與周圍散熱界面的熱阻；而電芯最終的傳熱表現(xiàn)除了受電芯本身影響外，還會受到與其配合的周圍載體所導(dǎo)致的熱阻影響，電芯到模組到系統(tǒng)的熱表現(xiàn)會由最大界面熱阻決定。因此，未來可以從以下5 個方面進一步對電芯傳熱行為和傳熱機理進行深入研究：

（1） 電芯與周圍構(gòu)件接觸面的熱阻計算和評估，并研究其對電芯最終熱表現(xiàn)影響。

（2） 電芯到模組的集成過程，會設(shè)計絕緣層、導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱墊等多層材料，在電芯熱管理設(shè)計時，需要建立更加完善的多參數(shù)熱學(xué)模型，將電芯與其他構(gòu)件的熱學(xué)特性聯(lián)合分析。

（3） 方形電芯尺寸不同時，采用更多尺寸電芯型號進行傳熱行為分析，總結(jié)傳熱規(guī)律和特點。

（4） 建立電芯傳熱行為試驗，采集不同電芯不同位置的溫度曲線，完善電芯熱管理研究方法，通過試驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)進一步修正電芯傳熱行為與傳熱機理理論。

（5） 結(jié)合電芯到模組到系統(tǒng)集成時的工藝參數(shù)、裝配參數(shù)及系統(tǒng)級熱管理設(shè)計特點，結(jié)合新材料、新工藝對電芯級熱管理方案進一步優(yōu)化設(shè)計，有效指導(dǎo)和設(shè)計高效鋰離子電池系統(tǒng)熱管理方案。

參 考 文 獻

［ 1 ］ 劉磊，王芳，高飛，等. 鋰離子電池模組熱失控擴展安全性的研究[J]. 電源技術(shù)，2019，43（3）：450-452.

［ 2 ］ 陳天雨，高尚，馮旭寧，等. 鋰離子電池?zé)崾Э芈友芯窟M展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù)，2018，7（6）：1030-1039.

［ 3 ］ 梁金華. 純電動車用磷酸鐵鋰電池組散熱研究[D]. 北京：清華大學(xué)，2011.

［ 4 ］ SORIA M L， CHACON J. Metal hydride electrodes and Ni-MH batteries for automotives high power applications[J]. Journal of Power Sources， 2001， 102： 97-104.

［ 5 ］ LUSIA S， JOAQUIN C. Nickel metal hydrides batteries for high power applications [J]. Journal of Power Sources， 2001， 96：68-75.

［ 6 ］ LI H， WANG W Y， SU S F. A merged fuzzy neural network and its applications in battery state-of-charge estimation[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2007， 22（3）： 697-708.

［ 7 ］ CHEN C， JIN J， HE L N. New battery management system for multi-cell Li-ion battery packs[J]. Journal of Southeast University， 2009（25）： 185-188.

［ 8 ］ SUN J， LI J G， ZHOU T， et al. Toxicity， a serious concern of thermal runaway from commercial Li-ion battery[J]. Nano Energy， 2016， 27： 313-319.

［ 9 ］ GOLUBKOV A W， FUCHS D， WAGNER J，et al. Thermal-runaway experiments on consumer Li-ion batteries with metal-oxide and olivin-type cathodes[J]. RSC Advances， 2014， 4（7）： 3633-3642.

［10］ AL-ZAREER M， DINCER I， ROSEN M A.Heat and mass transfer modeling and assessment of a new battery cooling system[J].International Journal of Heat and Mass Transfer， 2018， 126： 765-778.

［11］ 吳唐琴. 鋰離子電池產(chǎn)熱和熱誘導(dǎo)失控特性實驗研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2018.