殷宝华;艾亮;贾明;汤依伟;孙言飞
【摘 要】研究了圆柱形、方形和软包三种不同结构设计以及放电倍率和换热系数对锂离子动力电池温度场分布的影响.结果表明,电池正极极柱和边缘温度最低的结构设计是软包,其次是圆柱形,温度最高的是方形;随着放电倍率的增大,电池各部分的温度均不断增大,放电倍率越大,温升速率越快,尤其是在大倍率放电情况下,温度几乎呈直线增加;增大对流换热系数,电池最高温度处(铝极耳)温度逐渐下降,中心处温度变化更为明显,但增大对流换热并不能无限制地降低电池温度.%The influences of three different structure designs (cylinder,square,soft pack),discharge rate and heat transfer coefficient on temperature distribution of lithium ion battery were studied.The results show that the temperature of battery cathode pole and edge with soft pack structure is the lowest,the temperature of the cylinder structure is higher,and the temperature of the square structure is the highest.With the increase of discharge rate,the temperature of battery gradually increases,and the higher the discharge rate is,the faster the temperature rises,especially at high discharge rate.With the increase of heat transfer coeffici ent,the highest temperature of battery (Al tabs) gradually decreases,and the temperature change in center of battery is more obvious.But the effect of heat transfer coefficient is not unlimited.
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2018(042)002
【总页数】4页(P199-201,307)
【关键词】结构设计;放电倍率;换热系数;锂离子动力电池;温度场
【作 者】殷宝华;艾亮;贾明;汤依伟;孙言飞
【作者单位】湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;湖南省特种电容器工程技术中心,湖南益阳413000;全固态储能材料与器件湖南省重点实验室,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;湖南省特种电容器工程技术中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;全固态储能材料与器件湖南省重点实验室,湖南益阳4130
00;中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083;艾华集团博士后科研流动站协作研发中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083;艾华集团博士后科研流动站协作研发中心,湖南益阳413000;湖南艾华集团股份有限公司,湖南益阳413000;中南大学冶金与环境学院,湖南长沙410083;艾华集团博士后科研流动站协作研发中心,湖南益阳413000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912
锂离子蓄电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，受到了国内外相关学者的广泛关注，成为汽车动力电池的首选。然而，温度对锂离子蓄电池性能影响很大，过高的温度以及温度分布不均匀，会加速电池性能的衰退，降低电池的使用寿命，还可能产生热失控引发安全问题。
近年来，锂离子蓄电池单体的规格和比容量不断攀升，但相应的热管理设计没有得到有效、同步的提高，限制了大型锂离子动力电池的商业化推广。因此，针对锂离子动力电池，开展温度特性的分析研究是十分重要而迫切的。
由于锂离子蓄电池实际工况十分复杂，单纯使用实验测量的方法研究电池的电热性能需要花费大量的人力、物力。使用计算机数值仿真技术，建立锂离子蓄电池热模型研究电池的热特性，能够有效缩短设计周期，节约时间和成本[1-2]。
国内外不少研究人员使用数值仿真技术和实验相结合的方法研究了电池的热特性。美国加州大学伯克利分校的D.Bernardi[3]等人，通过研究电池内部的电化学反应，基于能量守恒原理，得出了用于计算电池在正常工作状态下的生热速率公式。Said A1．Hallaj[4]、Mao．Sung Wu[5]、Andreas Vlahinos[6]等人在Bernardi生热模型的基础上，分别建立一维、二维、三维模型对特定型号的锂离子蓄电池温度场进行了计算，计算结果与实验值吻合得较好。S.C.Chen[7]等人以考虑辐射散热和电池单体外壳影响的三维分层模型为基准，系统比较了各种简化的一维、二维和三维模型的计算精度和时间，对电池的仿真建模具有重要的指导意义。
本文针对圆柱形、方形和软包三种不同结构设计的锂离子动力电池，分别建立模型，进行数值仿真计算，研究了不同电池结构设计对温度场分布的影响。此外，针对软包及方形锂离子蓄电池，分别研究了放电倍率和换热系数对电池温度分布的影响规律。
1 研究对象
本研究使用204468方形电池 (分为不锈钢外壳和铝合金外壳)、32800圆柱电池和9565110软包电池等三种型号电池为研究对象。电池正极活性材料为三元材料，负极活性材料为石墨，标称容量均为5 Ah。
2 理论模型
电池内部的能量守恒方程如式(1)所示：
式中：r为电池的密度；Cp为电池的比热容；l为电池的导热系数；q为电池的生热速率。根据Bernadi生热速率模型，q可以使用式(2)计算：
式中：I为电流；V为电池体积；Eoc为电池开路电压；E为电池工作电压；T为电池温度。
对流边界条件用式(3)描述：
式中：h为对流换热系数；T∞为环境温度。
3 三维建模以及网格模型图
方形电池模型采用笛卡尔坐标系即直角坐标系，圆柱电池模型采用柱坐标系。由于单体电池具有对称性，为了简化建模和节省计算时间，建立1/2电池模型。网格模型图如图1所示。
图1 圆柱、方形、软包三种不同结构设计锂离子蓄电池网格模型图
4 计算结果与讨论
根据以上建立的模型，首先计算了环境温度为25℃的自然对流情况下[h=5 W/(m2·K)]，204468方形电池(分为不锈钢外壳和铝合金外壳)、32800圆柱电池和9565110软包电池等四种型号电池以2C电流放电的温度场。其次，选取极耳位于同一侧的9565110软包锂离子蓄电池进行放电倍率为1、2、3、4、5和10C的放电模拟实验。最后，以外壳材质为不锈钢的204468方形锂离子蓄电池为研究对象，进行了2C倍率下的，对流换热系数分别为 5、15、25、35 和 35 W/(m2·K) 的放电实验，观察研究换热系数对电池温度分布的影响。
4.1 不同电池结构对温度场分布的影响
分别以方形不锈钢壳、方形铝壳、圆柱形和软包四种不同结构设计的电池为研究对象，对电池进行环境温度为25℃下的同倍率(2C)的放电仿真分析，研究不同电池结构设计对温度场分
布的影响。
图2给出了204468方形锂离子蓄电池 (不锈钢质外壳)、204468方形锂离子蓄电池(铝质外壳)、32800圆柱形锂离子蓄电池以及软包电池四种不同结构设计电池在2C放电3 min时电池的温度分布情况。
图2 不同结构设计电池放电温度分布图
由图2可以看出，电池各个部分温度分布不均匀，正极极柱＞负极极柱＞电芯。电流通过正负极柱时，由于极柱本身的电阻，会产生欧姆热，从而导致极柱的温度高于电芯温度，大倍率放电时尤为明显。本研究中，正极极柱是铝，负极极柱是铜，由于铝的电阻率高于铜，所以正极极柱温度高于负极极柱。对比图2中的四种结构设计电池放电温度可知，电池正极极柱温度最高的结构设计是方形(约31.8℃)，其对应的电池边缘温度也最高(约30.85℃)。电池正极极柱温度其次的结构设计是圆柱形(约30.95℃)，其对应的边缘温度约29.86℃。电池正极极柱温度最低的结构设计是软包结构(约29.21℃)，其对应的电池边缘温度也最低(约26.41℃)。对比(a)、(b)图可知，不锈钢质外壳的方形电池正极极柱和边缘温度均低于铝质外壳的方形电池，这是因为不锈钢的导热比铝强。
由图2还可以看出，电芯各个位置温度分布也存在差异，电池中心位置的温度高于电池边缘，这是因为电芯的传热系数较低，内部产生的热量不能迅速传递到表面。
4.2 不同放电倍率对温度场分布的影响
图3、图4分别是9565110软包锂离子蓄电池不同放电倍率情况下温度分布和不同放电倍率下电芯中心温度变化图。
图3 不同倍率放电下软包电池温度场
图4 不同放电倍率下电芯中心温度变化图
通过比较各图，易知随着放电倍率的增大，电池各部分的温度均不断增大。放电倍率越大，温升速率越快，尤其是在大倍率放电情况下，温度几乎呈直线增大，并且在整个放电过程中电池的铝极耳(正极耳)温度一直处于最高。另外还可以发现，1C放电时的温度场与其他各倍率的温度场出现明显差别。为了分析该差异，我们将1和2C放电下，软包电池的内芯、正极、负极以及外壳的温度变化绘制成曲线，如图5和图6所示。
图5 1C放电时电池内芯、正极、负极、壳体温度变化图
图6 2C放电时电池内芯、正极、负极、壳体温度变化图
通过图5和图6对比，发现在1C初始放电情况下，电池内芯温度低于正极耳和负极耳的温度，但经过一段时间后电芯温度会反超正负极耳的温度。但2C放电时电芯的温度一直低于正极耳和负极耳的温度。造成该现象的原因是：在相同的放电时间点，例如在1 600 s时，1C放电时电池内芯的温升只为0.6℃，而2C的温升达到了3.5℃，是前者的四倍，因此，1C时内芯的散热效果差于2C，其热量积聚在内芯，致使其温度不断升高，进而超过两极耳的温度。
4.3 对流换热系数对温度场分布的影响
不同对流换热系数下电池温度场分布如图7所示。
通过比较图7中(a)～(f)，发现随着对流换热系数的增大，最高温度(铝极耳)处温度逐渐下降，中心处温度的变化更为明显。但是随着对流换热系数的增大温度下降的趋势逐渐减小，如换热系数从5～15 W/(m2·K)，温度下降了1.2℃，而从25～35 W/(m2·K)则只下降了0.5℃。也就是说，增大对流换热系数并不能无限制地降低温度。另外还可以发现随着换热系数的增大，电芯的温度分布更加均匀，因此适当地提高对流换热强度能够起到保护电池的作用。
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