鋰電池熱特性及散熱特性分析

張高勝，丁曉紅，周 吉

（上海理工大學，上海 200093）

為了最高效率的利用電能，儲能技術應運而生。通常，為了減少儲存系統的質量及體積，鋰電池能夠代替傳統的鎳及鉛酸電池。與其它可充放電儲能系統相比，鋰電池在安全性、能量及能量密度、效率、壽命周期及靈活設計等方面都表現出優勢。此外，因為鋰電池在一個相對好的壽命期限內其能量及功率密度高，所以鋰電池技術是儲能技術應用最有希望的選擇之一。

但是，鋰電池模塊在放電時產生大量的熱量，如果熱量不能及時散發出去，就會使得鋰電池性能惡化，電池的壽命降低，同時，對于單體鋰電池，容易造成鋰電池脹包，甚至爆炸。對于儲能技術，整體模塊包括很多電芯，是由單體鋰電池串并聯組合而成，本文主要討論單體鋰電池的產熱性能，并假設在放電過程中，模塊的整體產熱是由單體電池產熱量累加而成。

因此模擬及早期的測試是有必要的，可以節省時間和避免許多的原型迭代。在鋰電池中，通過電化學方程計算在不同電流情況下的電壓曲線及熱產生率，利用模擬軟件來分析熱流體動力學的冷卻影響。

1 鋰電池熱特性

鋰電池內的電化學熱產生是個復雜過程。電流率、工作溫度、電池化學反應等都會影響到熱產生率。許多學者已經從單體到模塊研究了熱產生問題。然而，研究電化學模塊中深層的電化學反應仍然是有必要的。與鋰電池電化學反應相關的產熱量主要有三方面因素：歐姆損失（因為離子運動）；激活動力學；物質運輸濃度。產生的所有熱造成電壓降低，溫度升高。

1.1 熱模型分析方法

熱模型從電化學反應生熱的角度描述電池生熱，該模型一般假設電池內電流密度的分布是均勻的。電池在工作過程中的生熱速率有很多計算方法，最廣泛使用的是美國加州大學伯克利分校的D.Bernardi在1985年提出的生熱速率模型，如式（1）所示［1］：

1.2 電特性分析

按照如圖1設計流程進行多次重復實驗測試，即可獲得：電流I，開路電壓U及端電壓E0。這些參數對于決定熱產生率及解決熱模型方程是有用的。

圖1即為實驗設計流程圖［2］及單體鋰電池熱分析。電池單元是放在恒溫箱內，與外面的循環設備相連接。在測試過程中，循環設備在放電過程中保持特定的電流率，主機連接循環設備，實時地獲得并記錄實驗數據。同時也可以監測電流率，電壓曲線、SOC及內部電阻等。

圖1 實驗設計流程圖

主要測試：恒定充放電電流率下的端電壓及開路電壓。有多種不同的方法可求得此參數，通用的方法是混合功率脈沖法（HPPC），其他的方法有電流階躍響應的方法，電流中斷方法。

2 實驗測試

因為儲能系統是模塊組裝而成的，本文為了分析電池模塊的熱流體，建立了一個熱模型。為了估算單體電池在不同SOC下的熱產生率，同時為了證實以上所提供的方法表現出的優勢，進行了單體電池及電池模塊的測試實驗，獲得充放電過程中端電壓、開路電壓，單體鋰電池表面溫度的實時變化。這些電池及電池模塊用低電流操作來表現其特性，故用1C放電。

本文主要分析電池在放電過程中的電池表面溫度變化及電池的最高溫度。

測試平臺包括：充放電機器（MODEI17020 REGENERATIVE BATTERY PACK TEST SYSTEM系統），能夠對電池進行充放電操作；恒溫箱，保證恒定的溫度條件；熱像儀，能夠監測電池熱狀態；主機，獲得可處理的數據。電池放在恒溫箱里，連接充放電儀器，充放電儀器實時把獲得的數據發送給主機。此實驗可以實時監測電流、電壓曲線、電池表面溫度。在恒流下充放電實驗及開路電壓的測試可獲得電池熱特性等有用的物理參數。

圖2 1 C放電情況下，20 Ah單體鋰電池端電壓及開路電壓曲線

3 熱模型分析及驗證

研究單體仿真模型是為了獲得溫度曲線，作為CFD模擬的輸入數據。仿真模型由CAD軟件設計，并將幾何模型輸入到有限元分析軟件中，因為幾何模型不復雜，CAD模型代表單體的實際尺寸模型。電池參數由電池制造商提供，同時在仿真中，將鋰電池參數輸入到有限元分析軟件中。

3.1 熱仿真

電池模型主要由三部分組成：電芯、外殼、電極極耳。電芯代表電池內部，在充放電過程中產生熱量；外殼是用來保護內部電池；電極提供接口與電路相連接［4］，如圖3。

圖3 鋰電池模型的三維造型圖

正負極耳材質為：鋁；外殼材質為：鋁塑膜（厚度為0.1 mm）；內核為電芯，由正負極電解質及膈膜組成，鋁塑膜與電芯緊密貼合。各部分材質特性如表1。

以內部熱產生率為負載，電池表面為自然對流，對單體電池進行瞬態熱仿真分析。實際上，溫度曲線是與時間緊密聯系的，同時，電芯加熱，并通過熱傳導，把熱量從內部傳到鋁塑膜表面，進行空氣對流冷卻。仿真模型輸入數據包括：電池最初溫度；產熱率；電池持續放電時間；自然對流物理參數。因為此模型主要是在恒定電流下做電池放電仿真，故在整個放電過程中，各個模塊產熱是相同的。

表1 各部分材質特性

通過仿真，利用有限元分析軟件，來迅速獲得單體電池的溫度特性。輸入量是隨時間變化的熱產生率，通過以上所提的分析方法進行估算熱產生率，電池的實際工作環境即為有限元軟件所加的邊界條件，熱負載加載在鋰電池內部電芯上。將模型在Workbench中進行實時瞬態仿真，獲得不同SOC的溫度值。

3.2 熱模型的驗證

利用模擬工具畫出鋰電池在不同SOC下的溫度曲線。將實驗溫度曲線和熱分析模型溫度曲線對比來證實熱模型的有效性。在實際情況下，熱分析模型模擬出來的溫度特性和實際溫度可能不一樣，此模擬的主要目的是提供一個通過溫度曲線證實熱模型準確性的方法［5］，當然此模型的參數是和實際鋰電池參數緊密相關的。一旦熱模型被證實，此模型就能夠代替實際模型進行下一步的分析。實際上，通過分段差值法，將分析熱模型所得不同SOC情況下的產熱率插入到仿真過程中，使得熱仿真更準確，更符合實際。

圖4 模擬溫度與實驗溫度對比

圖4為鋰電池在1C放電情況下，仿真分析得到的在不同SOC下的溫度值與實際實驗得到的溫度值進行對比。

通過將模擬值與實驗值放在同一坐標系下進行對比分析，發現分析的誤差在5%以內，模擬值與仿真值基本一致，故模型成立，為以后模塊的散熱熱分析奠定了基礎。

同時發現，模擬溫度在放電過程總是高于實驗溫度。這是因為：實驗溫度所測得是電芯表面的溫度，而模擬所得是電池內核的溫度，內核溫度始終高于表面溫度，但是外包裝鋁塑膜很薄，故內外溫度相差很少。

4 單體鋰電池散熱分析

鋰電池在放電過程中，如果溫度增加到一定幅值，最高溫度超過鋰電池本身特性約束的溫度，就會使電池性能惡化，壽命降低。

本節主要討論如何將單體電池溫升降低。溫度降低主要通過兩個途徑：施加外力（增大空氣流速）；在材料表面放置導熱性好的材料，將熱量從電池單元表面傳導出去。

根據以上方案設置，針對鋰電池進行了兩個方向的仿真模擬：（1）正常空氣對流系數為5，為降低溫度，增大空氣對流系數，模擬分析電池表面溫度。（2）在電池兩側加0.1 mm的鋁板（電池模塊中，電池間隙最大為0.1 mm），模擬分析電池表面溫度。

分析發現，在電池表面加鋁板，溫度降低不明顯；而加大對流系數，溫度明顯降低，故在以后進行模塊散熱分析時，從增大空氣流通量方面考慮。

5 總 結

本文基于鋰電池模擬仿真，針對單體鋰電池提出一個可以幫助工程師進行熱分析及冷卻設計的方法，集中探討鋰電池放電模擬仿真，同時簡略地介紹了單體電池散熱的研究方法，通過測試研究，提出了20 Ah單體鋰電池的熱分析模型。

該模型能夠實時準確地模擬出鋰電池單體在放電過程中產熱隨時間變化，以及電池表面溫度的變化，這對于鋰電池模塊熱分析是很重要的。該模型使以后電池模塊的熱管理及散熱分析成為可能。

［1］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Modeling and thermal simulation of a PHEV battery module with cylindrical LFP cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（9）：17－20.

［2］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Analytical thermal model for characteri a Li－ion battery cell［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.

［3］ Ahmadou Samba，Noshin Omar，Hamid Gualous.Development of 2D Thermal Battery Model for Lithiumion Pouch Cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.

［4］ Cicconi Paolo，Michele，Landi Daniele.Cooling simulation of an EV battery pack to support a retrofit project from lead－acid to Li－ion cells［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2013.

［5］ Cicconi Paolo，Germani Michele，Landi Daniele.Virtual prototyping approach to evaluate the thermal management of Li－ion batteries［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2014.