電動車用動力電池熱特性對比

王仁杰，趙蘭萍，楊志剛

（1.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804；2.同濟大學 上海地面交通工具風洞中心，上海 201804；3.中國商飛 北京民用飛機技術(shù)研究中心，北京 102200）

電動汽車是如今汽車產(chǎn)業(yè)的一個發(fā)展重點，而電池作為電動汽車的核心零部件，其運行狀況、壽命及安全性對于整車的重要性不言而喻。動力電池若在不適宜的溫度區(qū)間運行，輕則會引起電池放電性能和壽命的衰減，重則會引發(fā)電池燃燒和爆炸等安全事故[1]。所以行之有效的電池熱管理方法成為行業(yè)關(guān)注熱點，而對車用鋰電池做較細致準確的熱特性分析則是對其熱管理進行研究的基礎。

對于鋰電池導熱系數(shù)，較多文獻中采用了疊加法計算[2-5]，這種方法可以估算出電池厚度方向的導熱系數(shù)，但考慮到電池結(jié)構(gòu)的復雜性，此方法不夠準確，且很難表現(xiàn)出電池不同區(qū)域?qū)嵯禂?shù)的差異。而在對電池包熱管理進行分析時，電池導熱系數(shù)是其中的一個重要熱參數(shù)，所以對電池采用試驗方法測量其導熱系數(shù)至關(guān)重要。

純電動汽車上使用動力電池主要為成模組使用，而磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池是其中的兩種主要電池類型，而且在成模組時對單個電池容量的選取各個汽車廠商也各不相同[6]，所以從電池放電時的發(fā)熱角度對兩種電池及不同電池容量情況下的電池發(fā)熱特性進行研究便具有較高的實用意義。

1 電池試驗

為了更好地研究動力電池熱特性，分別對電池厚度方向?qū)嵯禂?shù)和電池不同放電情況下的發(fā)熱情況作了試驗研究，具體試驗內(nèi)容如下。

1.1 電池導熱系數(shù)試驗

試驗采用天津力神制造的錳酸鋰電池，標稱容量12 Ah。采用熱流計法[7]測量電池厚度方向?qū)嵯禂?shù)。測量時，在電池兩側(cè)分別布置恒溫冷熱源（冷熱源溫度為25 ℃和45 ℃），并在電池表面兩側(cè)相同位置分別布置熱流計和熱電偶，待系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后（約30 min）記錄通過電池厚度方向的熱流和兩表面溫度。利用公式計算出電池厚度方向?qū)嵯禂?shù)。

恒溫冷熱源用通有冷、熱水的水板實現(xiàn)，而冷熱水則由上海維菱科學儀器有限公司生產(chǎn)的CH-1015型超級恒溫槽提供。測量用的熱流計為Omega 公司生產(chǎn)的HFS-4型號薄膜熱流計，熱電偶為k型熱電偶。

式中：q為通過電池表面的熱流量，W/m2q；=λ 為t電 池厚度方向的導熱系數(shù)，W/（m·K）；tw1，tw2分別為電池兩側(cè)溫度，℃；δ為電池厚度，m。

圖1 導熱系數(shù)測量試驗

圖2 導熱系數(shù)測量示意圖

試驗過程中，因水板面積明顯大于電池，為保證測量的準確性，用與電池厚度相同的保溫板填充電池四周，防止四周漏熱對測量的影響。

1.2 電池放電試驗

為了對比錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池在放電時的發(fā)熱情況差異，分別選擇上述錳酸鋰電池和ATL生產(chǎn)的20 Ah 磷酸鐵鋰電池做對比試驗。試驗時，將電池連接負載后置于保溫箱中模擬絕熱放電環(huán)境，通過控制盒改變電池負載調(diào)節(jié)電池放電電流，電池溫度由電池表面兩側(cè)布置的熱電偶測量得到。試驗臺架搭建如圖3 所示。

試驗所用兩種電池的主要參數(shù)見表1。

表1 電池主要參數(shù)對比

圖3 試驗示意圖

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 電池導熱系數(shù)測量結(jié)果

為了探究電池表面不同位置導熱系數(shù)的差異，在電池表面不同位置均使用相同方法測量了導熱系數(shù)，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電池表面不同位置的導熱系數(shù)

在測量時，考慮到電池結(jié)構(gòu)左右對稱的特性，在布置測量位置時，左右均只取一邊進行測量（虛線框即為熱流計布置位置）。

由結(jié)果可知，電池表面不同位置導熱系數(shù)有一定差異，其中電池兩側(cè)導熱系數(shù)較大，中心區(qū)域較小。結(jié)合方形電池的卷疊工藝，可以知道兩邊區(qū)域電極材料彎折，所以導熱時更接近固體材料導熱，而中間部分更接近正負極材料與電解液疊加導熱。因為電解液導熱系數(shù)較低，所以導致中間導熱系數(shù)明顯更低。將電池分為中部和兩側(cè)兩個區(qū)域，并將測量得到的導熱系數(shù)取平均值可得，中部導熱系數(shù)約為2.27 W/（m·K），電極所在區(qū)域?qū)嵯禂?shù)約為3.19 W/（m·K），兩區(qū)域?qū)嵯禂?shù)相差40.5%。

1.3.2 電池絕熱放電溫升測量結(jié)果

在不同放電電流下，分別測量了兩種電池的溫度變化，并繪成了如圖5 所示的曲線。

電池溫度變化曲線為電池表面布置的10 個溫度測點取均值得到，試驗選取了多種放電電流和環(huán)境溫度，使通過試驗數(shù)據(jù)計算出的電池發(fā)熱功率公式有更好的適用性。

圖5 試驗測量溫升曲線

2 仿真模型建立及驗證

2.1 電池發(fā)熱公式

利用BERNARDI[8]提出的電池發(fā)熱方程對電池放熱量進行計算。

方程推導：

Bernardi 方程

式中：Q 為電池發(fā)熱量，W；E0、U 分別為電池開路電壓及兩端電壓，V；I 為電池放電電流，A；T為電池溫度，為溫度影響系數(shù)，V/K。

對于電池，在絕熱條件下，發(fā)熱量與電池溫升關(guān)系為：

式中：Q2為電池發(fā)熱量，W；Cp為電池定壓比熱容，J/(kg·K)；m 為電池質(zhì)量，kg。

聯(lián)立式（2）、（3）、（4），可得到電池溫度與放電電流的關(guān)系：

圖6 與I 的關(guān)系散點圖

由此，應用式（5）可計算出電池發(fā)熱功率公式。錳酸鋰電池發(fā)熱量公式：

磷酸鐵鋰電池發(fā)熱量公式：

2.2 電池模型建立

對電池建立三維物理模型并劃分微元，對每個微元建立能量方程，并將上述計算出的發(fā)熱量方程作為內(nèi)熱源建立在模型中，對兩種電池在不同放電情況下的放熱及溫度變化情況做動態(tài)模擬計算。每個微元體的能量控制方程為[9]：

2.3 模型驗證

將模型邊界條件及初始值設置成與試驗對應工況相同，對電池放電過程中的溫度變化情況做計算模擬，并將模擬值與試驗值進行對比，結(jié)果如下。

圖7 試驗驗證

由電池溫度變化曲線可知，對于錳酸鋰電池，試驗與模擬值吻合良好，在800 s 內(nèi)最大溫差小于0.7 ℃。對于磷酸鐵鋰電池，試驗與模擬值略有差異，但各個工況下500 s 內(nèi)最大溫差仍低于0.9 ℃。因此，可認為電池發(fā)熱量公式準確，且電池發(fā)熱模型準確，可進行更進一步的研究。

3 電池對比分析

3.1 相同放電電流發(fā)熱對比

為了進一步對比兩種電池在放電時的發(fā)熱特性差異，用上述模型計算在相同外界環(huán)境下兩種電池的溫升差異。

將電池初始溫度均設置為20 ℃，電池表面絕熱，分別選取5 A、10 A 兩種恒流放電情況和1C、2C 兩種恒倍率放電情況對比兩種電池的發(fā)熱特性。

由發(fā)熱公式計算出的各工況電池發(fā)熱量見表2。

表2 發(fā)熱量工況計算表

由計算結(jié)果可知，在相同放電電流情況下磷酸鐵鋰電池發(fā)熱量略高于錳酸鋰電池，隨著放電電流的增大二者差距變大；但因為磷酸鐵鋰電池的體積更大，其單位體積發(fā)熱功率明顯小于錳酸鋰電池。在相同放電倍率情況下，因磷酸鐵鋰電池的容量更大，所以其放電電流高于錳酸鋰電池，發(fā)熱量明顯更高。

利用電池發(fā)熱模型對上述兩種工況下的電池溫度變化情況做模擬計算，結(jié)果如下。

圖8 同放電電流溫升對比

由溫度曲線可知，錳酸鋰電池在兩種放電電流情況下溫升速度均高于磷酸鐵鋰電池，當放電時間達到800 s 時，對應5 A、10 A 放電情況下，二者溫差分別為0.89 ℃和2.52 ℃。

這是因為雖然放電電流相同時錳酸鋰電池的實際發(fā)熱量更小，但其溫升卻大于磷酸鐵鋰電池，因為磷酸鐵鋰電池的質(zhì)量比錳酸鋰電池大1.09 倍，其蓄熱量更大，所以溫升更小。然而，當動力電池組成電池模組及電池包后，放電情況多為按照放電倍率放電，這使大容量電池放電電流大而小容量電池放電電流小，所以接下來對相同放電倍率下溫升情況進行分析。

3.2 相同放電倍率發(fā)熱對比

圖9 同放電倍率溫升對比

可以看出，當放電倍率相同時，磷酸鐵鋰電池溫升均高于錳酸鋰電池，當放電倍率為1C 時，磷酸鐵鋰電池溫度在800 s時比錳酸鋰電池高3.10 ℃，而當放電倍率為2C 時，兩種電池溫差達到13.17 ℃。

由此可知，對于所選兩種電池，二者在相同放電電流下發(fā)熱量相似，磷酸鐵鋰電池略高。對于容量不同的兩種電池，在相同放電電流條件下，大容量電池因其具有更大的熱容量，所以更具優(yōu)勢；在相同放電倍率條件下則是小容量電池溫升更小。因為實際情況中多為相同放電倍率情況，所以綜合看來小容量電池在發(fā)熱特性方面更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）動力電池不僅在不同方向存在各向異性導熱系數(shù)，而且在厚度方向上不同位置也有不同的導熱系數(shù)。其中，中間區(qū)域上部與右上部導熱系數(shù)測量值差距最大，達到66.8%。

（2）在相同放電電流條件下，容量大的電池因為更大的熱容量而溫升更小，在放電電流為5 A、10 A 時，二者溫差分別為0.89 ℃和2.52 ℃。

（3）在相同放電倍率條件下，大容量電池發(fā)熱量及溫升均明顯高于小容量電池，在放電時間為800 s 時2C 放電會使二者溫差達到13.17℃?？紤]到電池包放電時一般為定放電倍率放電，這使小容量電池在發(fā)熱特性上優(yōu)于大容量電池。