车用动力锂电池热管理系统：确保电池性能与安全的关键

车用动力锂电池热管理系统：确保电池性能与安全的关键

介绍

动力电池是电动汽车的动力来源[3]，目前动力电池种类繁多，包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。

其中锂电池采用环保材料，不产生有害气体，安全性较高，但锂电池的性能、寿命、安全性受工作温度和环境条件影响较大[4]。

锂电池工作温度过高时，电池的工作性能和安全性能会迅速下降，甚至可能引发安全事故。除了考虑电池模组整体温度外，还必须考虑电池模组的温度均匀性。电芯间的温度差异会导致充放电性能不同，造成单体电芯甚至电池的温度不平衡。处于高温区的电芯更容易老化失效，从而降低整个电池系统的性能[5]。

因此汽车动力锂电池均配备动力电池热管理系统（BTMS），实现动力电池的温度控制。

电池单体热特性及产热模型现状

截至目前，在电动汽车用动力电池产热研究方向，广泛采用的方法包括单电池实验、计算流体力学（CFD）模拟等。

试验主要用于仿真模型的验证和对标，以及改进后的散热方案在车辆上的实际应用验证，在CFD仿真中建立电池热模型、计算电池升温速率时，需要考虑电池内部的产热、传导热量以及向外界空气传热的不均匀性[8]。

建立电池模型后，进行仿真优化，整理仿真数据与实验数据，通过对比分析验证发热模型的准确性。

在后续的研究过程中，将利用此模型进一步探究电池模块的热特性[9]，电池产热模型是研究电池内部温度分布及变化趋势的理论前提，也是动力电池热管理系统设计的依据。

电池的产热模型因研究维度不同，分为集中质量、一维、二维和三维模型[10]；因产热模型原理不同，又可分为电化学-热耦合模型、电热耦合模型和热失控模型（σ，TR）[11,12]。

热失控是指热量从一个受损电池快速传递到另一个受损电池而导致电池燃烧的过程[13]。

电池模块热管理系统冷却方法研究现状

电池模块热管理系统的散热方式主要有风冷、液冷、相变材料冷却（Phase，PCM）和热管冷却（Heat Pipe，HP）[19]。

（1）空气冷却

风冷又称空气冷却系统，利用空气作为载体进行热交换，控制动力电池系统内部温度，根据散热通风方式不同，风冷可分为串联通风和并联通风[20]，如图1.1所示。

其具有结构简单、成本低、电气安全性高、无泄漏、维护方便等优点，但不能满足高温工作环境、较大电池模块冷却及高充放电循环次数的要求。

为了克服其局限性，采用强制风冷，并增加排风扇、鼓风机、改进的空气流道、翅片结构等，以提高单体电池和电池模块的冷却效率。

（2）液体冷却

液冷又称液体冷却系统，利用冷却剂作为热交换载体来控制动力电池系统内部温度。该系统通过冷却剂泵和管道完成冷却剂在电池系统中的流动。分为直接接触式和间接接触式[31]。

直接接触式为液体流过电池表面，将电池直接浸入不流动的冷却液中；间接接触式为在电池模块间布置管道或在电池模块内布置夹套，液体在内部流动，吸收并带走热量（32）。液冷系统工作原理图如图1.4所示。

（3）相变材料冷却

相变冷却是利用材料相变潜热吸收热量的被动冷却方式，散热速度快，温度均匀性好，但也有热导率低、易泄漏等缺点[45]。

其结构如图1.10所示。单纯的相变冷却无法及时将热量散发到外界，将导致相变冷却失效，造成电池持续升温甚至热失控[46]。因此，经常采用相变冷却。当与其他冷却方式结合时，相变材料可以继续发挥冷却作用[47]。

锂电池的结构及工作原理

锂电池是用铝箔连接电池正极，而电池中间的材料是聚合物电解质膜，膜的存在是为了隔开正极和负极，Li+可以通过膜上的微孔，而电子则被隔绝开来。

锂电池负极的活性物质是石墨，导电集流体由电解铜箔制成。石墨通过一片铜箔与负极连接，而有机电解质则在电池内部周围起作用[55]。

三元锂电池的材料组成如图2.1所示，当电池充电时，正极中的Li+透过聚合物电解质膜移动至负极；当电池放电时，负极中的Li+透过膜移动至正极。

在充电阶段，在电场作用下，锂离子进入锂晶体表面的电解液，穿过隔膜，移动到石墨表面，并融入其中。

在放电过程中，锂离子进入电解液，穿过膜，迁移到锂晶体表面，然后重新融入锂晶体。锂电池工作时发生的反应有：

CFD理论基础研究

CFD将流体力学与数值模拟相结合，通过计算机模拟计算，可以精确计算出流场、温度场中的各种参数。

建立一组将离散点与场变量关联起来的方程，然后求解以获得场变量的近似值[67]。

在研究过程中本文首先通过理论分析对单体锂电池温度场散热进行探讨研究,然后利用CFD相关软件对单体锂电池瞬态温度场进行数值模拟,最后利用单体锂电池的实验结果对仿真结果进行验证模型的可行性。

数值模拟利用CFD模拟将描述流体运动和产热的控制方程离散为可解的代数方程组，通过求解流动、产热和传热问题，弥补了理论分析和实验方法的不足[68]。基本求解过程如图2.2所示。

单体锂电池内阻测试

实际应用中，影响单体锂电池产热的主要因素包括极化内阻和欧姆内阻，仅在高温条件下才会产生副反应热，因此在测量单体锂电池内阻时，可采用混合功率脉冲特性（Power，HPPC）测试方法[62]。

利用该方法对单体锂电池内阻进行计算,分析内阻随温度和SOC的变化规律,从而得到单体锂电池的产热速率,建立电池等效热模型。

本研究采用21700型三元锂电池，电池直径为21mm，高度为70mm，电池容量为。实物如图3.1所示，电池基本参数如表3.1所示。

电池热源数据拟合

将实验得到的内阻随温度和SOC变化的数据，在 / 工具中进行拟合，得到1C放电率下不同SOC、温度下的内阻拟合图，如图3.6所示。SOC的拟合，拟合内阻多项式如公式（3.4）所示。

配方中各项系数见表3.4，拟合后的R-（拟合度）为0.9914，Adj R-sq（调整后的拟合度）为0.9848，均接近于1，拟合图显示出良好的效果，表明本次拟合合成完成度较高，可以用于后续的研究。

在仿真软件中，对单个电池进行仿真时，需要设定其热产生率，热产生率设定通常包括固定值和用户定义（User-，UDF）文件，其中UDF包括编译型和解释型两种类型。

本文以编制好的UDF作为热源文件，对内阻数据进行拟合，结合1C放电率下的拟合多项式（3.4），按照公式（3.5）、（3.6）计算SOC及单位体积发热量q，将结果编制成UDF文件，作为1C放电率下的模拟热源文件。

总结

本文以21700圆柱型锂离子动力电池为研究对象，采用理论分析与实验相结合的方式，分析了单体电池的热特性，并设计了微通道液冷结构。

从多个角度对散热结构进行优化分析，提高BTMS的散热性能，主要研究工作及结论如下：

1.分析所研究的21700圆柱锂离子电池的产热机理及传热特性，并根据电池内部材料计算其等效热物理参数。

计算结果为：平均电池密度：/m3、平均比热容：1329J/kg·K、平均径向和法向热导率：2.6W/m·K、平均轴向热导率：28 W/m·K。

2、进行单电池内阻实验，通过实验数据分析单电池内阻、温度、电池SOC之间的关系。结果表明SOC对电池内阻影响不大，电阻值一般随SOC的增加而增大。内阻随SOC的增加而逐渐增大，放电到一定SOC后，电阻增大趋势明显。温度对电池影响很大，即温度升高，内阻相应减小。但在最佳工作温度范围内，电阻值变化不大。

其次,根据内阻实验数据,利用软件对单体电池内阻进行拟合,并编译成UDF热源文件,作为仿真软件所需的单体电池热源,并对单体电池的热性能进行研究。

结果表明:随着放电倍率的增大,电池放电过程中产生的热量增多,温度随之升高;通过单体电池温升实验验证了仿真模型的准确性。

参考

[1] 李红艳, 张敬倩, 陈建斌, 等. 2021年全球能源转型面临的挑战——基于bp世界能源统计年鉴(2022)[J]. 天然气与石油, 2022, 40(06): 129-138.

[2]郑世晨.微通道液冷设计及多芯片PCB板散热性能研究[D].电子科技大学，2022.

[3]李晓燕,周丹,张刚,等.冷板的疲劳强度分析[J].冶金分析,2019,155:331-340.

[4] TM, S, T F. A在-离子中的应用[J]. 化学学报, 2011,158(3):R1-R25。

[5] 袁嘉瑜. 纯电动汽车动力电池热管理系统结构设计与优化[D]. 青岛理工大学, 2022.

[6]薛超坦.基于液冷的纯电动汽车锂电池热管理研究[D].吉林大学,2017.