鋰離子電芯傳熱行為與熱管理設計

摘要：鋰離子電池熱管理設計大多從電池封裝層面考慮熱管理與電池系統的結合，容易忽略對電芯本身傳熱行為和電芯級熱管理設計的細節研究。為此，研究方形鋰離子電芯傳熱行為和影響電芯傳熱的關鍵參數，建立方形鋰離子電芯傳熱數學模型，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計傳熱位置。研究結果可為鋰離子電池熱管理系統優化設計提供參考。

關鍵詞：鋰離子電池；電芯；熱模型；熱管理

0 前言

發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生［1］。

熱管理系統設計是制約新能源汽車發展的瓶頸問題，設計穩定、高效的熱管理系統對于提高新能源汽車的安全性具有重大意義。

鋰離子電池熱建模是鋰離子電池熱管理的基礎。其中，傳熱特性建模和產熱特性建模是鋰離子電池熱建模的2 個重要方面［2］。在現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熱性能的影響，對設計高效、可靠的鋰離子電池熱管理系統具有十分重要的意義。

1 電芯等效導熱模型

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，提出新的熱管理設計思路。電芯外形如圖1 所示，具體尺寸參數見表1。鋰離子電池結構一般包括正極、負極、電解質、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（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層疊形成極群。將多層電芯結構簡化為尺寸一致的電芯材料，對電芯熱物理參數進行等效處理，如圖2 所示。電池單體電芯材料假設為具有各項異性導熱系數特性的長方體單元，設垂直于層疊方向的導熱系數（λz）小于平行于層疊方向的導熱系數（λx、λy）［7-8］。

2 電芯面散熱能力

電芯導熱系數測試結果見表2。使用該電芯進行電池包系統集成時，電芯熱管理設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，確定電芯在假設負載發熱時，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，對應電芯與系統熱管理結構貼合的3 種不同選擇，如圖3 所示。

如果選擇正面傳熱，即通過電芯最大的正面和背面傳熱，熱量從電芯內部通過λz 導熱系數的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面傳出；如果選擇側面傳熱，熱量從電芯內部通過λy 導熱系數的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面傳出；如果選擇底面傳熱，熱量從電芯內部通過λx 導熱系數的路徑將電芯生成的熱量通過電芯表面傳出。

熱管理設計最優選擇是系統液冷板或者風道能夠接觸到電芯散熱能力最強的表面。目前系統設計多從有利于系統集成的角度設計液冷板位置或者風道流向，忽略了電芯各表面傳熱能力的系統評估。在外界環境參數一致的假設下，選擇不同電芯表面作為散熱面，即選擇不同導熱系數、散熱面積和散熱路徑。散熱面關鍵參數如圖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，假設每個表面的導熱系數（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，電池側面（A3、A4）是最佳位置，電池底面（A5）是最差位置。

對電芯外部環境絕熱時，計算電芯溫升并進行仿真計算對比，作為電芯熱管理設計的基礎數據，電芯材料數據見表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，電芯內部生熱速率為6.4 W，電芯和鋁外殼的總質量為1.43 kg，將其作為整體考慮時，比熱容為1 026.3 J/（kg·K）［10］。

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

按照以上材料性質和生熱過程設置仿真邊界條件，電芯溫升的有限元分析（FEA）仿真結果如圖6 所示。計算結果與FEA 仿真結果的對比如圖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，與計算結果一致，證明電芯FEA數學建模準確可靠，FEA 結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，目前已有的模組結構熱管理接觸面選擇設計包括電池底面（A5）傳熱方案、電池側面（A3+A4）傳熱方案，未發現有置于電池正面和背面（A1+A2）的方案設計［11］。在相同外部環境和電芯生熱速率載荷下，本文假設相同導熱系數時，選擇電池底面傳熱方案或電池側面傳熱方案，比較電芯的溫差及溫升結果。

3. 1 傳熱方案

3. 1. 1 電池底面傳熱方案

假設環境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數不做調整，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 散熱面設計高效的傳熱結構也無法提升電芯本身的低散熱效率。

3. 1. 2 電池側面傳熱方案

假設環境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數同前章節，選擇電池側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。按照電池底面傳熱方案相同的評估方式，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，均優于電池底面傳熱方案。這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—散熱結構的路徑帶走。對于方形鋰離子電芯來說，選擇電池側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表現。

3. 2 數值計算對比

采用數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計算，以驗證電池底面傳熱方案和電池側面傳熱方案的散熱效果。環境溫度為295 K，電芯生熱速率為6.4 W，其他物性參數同前章節。假設電池底面傳熱方案和電池側面傳熱方案散熱面導熱能力保持一致，即采用相同的外部導熱方案并采用相同的界面導熱處理方式。

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，電池底面傳熱方案中電芯最高溫度升高至300.62 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，電池側面傳熱方案中電芯最高溫度升高至296.92 K，最大溫升為1.92 K，最大溫差為0.97 K。

對比2 個方案的數值計算結果，可以得出：

（1） 選擇電池側面作為電芯散熱面，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，電池底面傳熱方案的溫升曲線隨著工況時間加長，電芯最高溫度會繼續增加（如充放電循環），而電池側面傳熱方案溫升曲線末端接近平衡，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，電池側面傳熱方案優于電池底面傳熱方案。

4 結論

本文通過數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鍵參數，如電池尺寸、生熱速率、散熱流量及導熱路徑距離。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熱管理時，忽略電芯傳熱能力、重視系統集成工藝所帶來的系統級熱管理設計不夠精確和細致的問題，為高效的電池封裝熱管理系統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熱系數、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境溫差4 個參數影響。

（2） 進行鋰離子電芯熱管理設計散熱面選擇時，所選擇研究對象的側面傳熱方案優于底面傳熱方案，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，以數值模擬進行驗證，結果完全吻合，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致的熱阻影響，電芯到模組到系統的熱表現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） 電芯與周圍構件接觸面的熱阻計算和評估，并研究其對電芯最終熱表現影響。

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

（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，總結傳熱規律和特點。

（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，通過試驗數據表現進一步修正電芯傳熱行為與傳熱機理理論。

（5） 結合電芯到模組到系統集成時的工藝參數、裝配參數及系統級熱管理設計特點，結合新材料、新工藝對電芯級熱管理方案進一步優化設計，有效指導和設計高效鋰離子電池系統熱管理方案。

參 考 文 獻

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