車用鋰離子動(dòng)力電池溫度模型可靠性研究

胡福勝，熊飛

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司 汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

前言

近年來(lái)電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展迅速，動(dòng)力電池作為新能源汽車的核心部件，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電動(dòng)汽車的性能。為準(zhǔn)確判斷電池的運(yùn)行狀態(tài)，一些基本的狀態(tài)量需要準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，如電池的溫度、電壓與電量等。電池的溫度狀態(tài)直接影響電池基本性能，不同的溫度狀態(tài)對(duì)電池的內(nèi)阻、健康狀態(tài)和其使用壽命均有影響[1-2]，電池溫度降低時(shí)其內(nèi)阻增大可用容量減少[3-4]，溫度高時(shí)電芯的使用壽命會(huì)顯著降低。動(dòng)力電池在高負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程、過(guò)充或者內(nèi)短路等情況下，電池內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果這些產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散出，將會(huì)對(duì)電池產(chǎn)生不可逆的損傷。因此對(duì)動(dòng)力電池溫度進(jìn)行直觀有效地檢測(cè)與預(yù)估具有重要意義。

本文分析了電池表面測(cè)量溫度與電池內(nèi)部實(shí)際溫度差異的影響因素，基于方殼電芯成組的電池模組提出了基于采樣溫度推測(cè)電池內(nèi)部溫度的預(yù)測(cè)方法。為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，利用內(nèi)置溫度傳感器的電池模組測(cè)試了對(duì)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明該方法可較準(zhǔn)確地反映電池內(nèi)部溫度。

1 動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ徒?/h2>

1.1 動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)模型

本文研究的對(duì)象為方形磷酸鐵鋰電池，其中要參數(shù)如表1 所示。

表1 電池主要參數(shù)

單電池主要包括鋁殼（含絕緣膜）、卷繞、卷繞支架、底板、頂部支架、極柱連接/保險(xiǎn)、頂板、頂蓋等。多個(gè)電池成組后，組成模組的主要組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括端板、側(cè)板、電芯間鋁連接、線束隔離板等。

在方殼電芯實(shí)際電池成組后，溫度傳感器主要布置于電芯間的鋁連接表面，所測(cè)溫度實(shí)際為鋁連接的溫度。其所測(cè)得溫度與電池內(nèi)部正負(fù)極片和隔膜的溫度（也就是電池活性物質(zhì)的溫度）有差別。

圖1 電池模組主要結(jié)構(gòu)組成

1.2 動(dòng)力電池?zé)崮Ｐ徒?/h3>

在電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中電池組的溫度狀態(tài)逐漸發(fā)生變化，不同的環(huán)境和工作狀態(tài)下，測(cè)試溫度與電池內(nèi)部的溫度偏差不一樣，為研究這一偏差，需分析不同部件的產(chǎn)熱及散熱。表2 為主要部件基本熱特性參數(shù)。

表2 電池主要部件熱物性參數(shù)

對(duì)于電芯極柱的產(chǎn)熱和散熱平衡分析。其中產(chǎn)熱部分有極柱導(dǎo)電時(shí)產(chǎn)生的歐姆熱，接觸電阻產(chǎn)生的熱。其中歐姆熱部分：

式中：Rconduct為導(dǎo)電電阻，Rcontact為接觸電阻。

電池間鋁連接電阻計(jì)算：長(zhǎng)43mm，厚1.5mm，寬30mm，電導(dǎo)率2.5E7S/m，計(jì)算電阻值為0.038mOhm。接觸電阻依據(jù)實(shí)際焊接面積計(jì)算。

其散熱項(xiàng)主要有對(duì)環(huán)境的對(duì)流散熱項(xiàng)、輻射散熱項(xiàng)，按公式(2)和公式(3)計(jì)算。

式中：Tbar和Tamb分別為鋁連接與環(huán)境溫度。

其中k 為輻射系數(shù)。

模組有負(fù)荷情況下，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算出電池極柱的溫度。對(duì)于電芯內(nèi)部，其主要熱源為工作時(shí)電芯內(nèi)部的產(chǎn)生的熱量，其產(chǎn)熱部分主要有電芯的不可逆熱和可逆熱。[5~6]

基于不同的電池荷電狀態(tài)SOC，其內(nèi)部的開路電壓（Open Circuit Voltage, OCV）會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)時(shí)，OCV 的值也大于電池兩端的電壓U，反之則小于。

集成在電池內(nèi)部的電池管理系統(tǒng)（Batter Management System，BMS）可實(shí)時(shí)更新OCV，并反饋運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的電流和電壓。

通過(guò)文獻(xiàn)[7]的方法，將加熱片置于電池表面并固定，布置溫度傳感器于電池內(nèi)部，將其放于加速絕熱量熱儀中測(cè)試，通過(guò)以公式(5)計(jì)算出電池比熱。

通過(guò)測(cè)算，電池內(nèi)部比熱980J?kg-1?K-1。

單個(gè)電池三個(gè)方向的組合熱導(dǎo)率可由多個(gè)部件的熱導(dǎo)率計(jì)算按公式(6)計(jì)算。

由于電池導(dǎo)熱系數(shù)是各向異性，平行于疊片方向和垂直于疊片方向的導(dǎo)熱系數(shù)參照文獻(xiàn)[8]的值，電池平行及垂直兩個(gè)方向的導(dǎo)熱系數(shù)分別取24W?m-1?K-1和1.1W?m-1?K-1。

電池與外界環(huán)境的熱交換過(guò)程可由以下對(duì)流換熱方程計(jì)算：

另外，由于電池模組安裝在電池包內(nèi)，電池與其它部件件的導(dǎo)熱可由導(dǎo)熱方程計(jì)算：

式中：δ為兩者考慮導(dǎo)熱關(guān)系的距離，A為導(dǎo)熱接觸面積。

2 動(dòng)力電池內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)及驗(yàn)證

2.1 動(dòng)力電池內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)

通過(guò)以上內(nèi)部熱模型，計(jì)算得到鋁排溫度與電池內(nèi)部溫度的差別。其中電池鋁排及內(nèi)部產(chǎn)熱及散熱造成的溫差按式(9)和(10)計(jì)算：

根據(jù)以上所計(jì)算溫度差別，按式(11)計(jì)算出電池內(nèi)部溫度：

2.2 電池內(nèi)部預(yù)測(cè)溫度驗(yàn)證

電池內(nèi)部的溫度通過(guò)內(nèi)置熱電偶溫度傳感的方法測(cè)得，如圖2 所示：

圖2 內(nèi)置熱電偶電芯

圖3 所示為25℃環(huán)境下電池1C 倍率放電過(guò)程電池預(yù)測(cè)、測(cè)試內(nèi)部溫度與電池極柱的溫度對(duì)比，實(shí)測(cè)電池極柱溫度為圓整至1℃精度后的值。圖3 中預(yù)測(cè)出的電池內(nèi)部溫度相對(duì)外部極柱測(cè)得值更接近電池活性物質(zhì)的溫度值。

圖3 25℃下電池1C 放電時(shí)電池預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證

圖4 所示為在0℃環(huán)境下加載到電池組的工況電流變化曲線。整個(gè)工況持續(xù)時(shí)間約7000 秒。

圖4 實(shí)際運(yùn)行過(guò)程電池負(fù)載電池

圖5 0℃工況下內(nèi)部預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電池存在充電和放電狀態(tài)。圖5 所示為在此工況下得到的電池內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的變化曲線。預(yù)測(cè)所得的電池內(nèi)部溫度變化值與實(shí)際測(cè)得的電池內(nèi)部溫度吻合。

為進(jìn)一步考查模型的有效性，對(duì)低溫下電池運(yùn)行并加熱過(guò)程及電池工況運(yùn)行完后的冷卻情況進(jìn)行分析。圖6 為在0℃下的工況電流曲線及外部加熱功率的變化曲線。圖7 所示為電池內(nèi)部預(yù)測(cè)溫度值與實(shí)際測(cè)試值對(duì)比。

圖6 0℃運(yùn)行并加熱的工況與加熱功率曲線

圖7 0℃工況溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從結(jié)果看出，不管是電池在加熱或者是電池在散熱，溫度預(yù)測(cè)模型都能較好地預(yù)測(cè)出電池同部溫度。

3 結(jié)論與展望

為從實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中得到電池內(nèi)部的溫度，本文從各個(gè)影響測(cè)溫點(diǎn)溫度變化與電池內(nèi)部溫度變化的因素進(jìn)行分解，提出了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的溫度預(yù)測(cè)模型。為驗(yàn)證溫度預(yù)測(cè)模型的有效性，針對(duì)電池不同的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，得出該模型對(duì)比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出各種運(yùn)行狀態(tài)下的電池內(nèi)部的溫度。為電池壽命預(yù)測(cè)、電池包熱管理等提供更加準(zhǔn)確的輸入。

該模型簡(jiǎn)化了電池測(cè)點(diǎn)布置，可運(yùn)用于實(shí)際的電池內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)中，也可以集成到現(xiàn)有的控制器內(nèi)，實(shí)時(shí)地對(duì)電池內(nèi)部溫度進(jìn)行反饋。為BMS 內(nèi)部的其他模塊提供更加精確的溫度參數(shù)輸入。

本文提到的電池內(nèi)部溫度的預(yù)測(cè)可有效地得到電池內(nèi)部溫度，與內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度相差值小于5K，可應(yīng)用于實(shí)際電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)。