动力电池包加热特性研究

温 泉，何绍清，沈 帅，董天哥

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300393）

0 引言

目前，电动汽车正处于发展阶段，我国在2016年的电动汽车销售量为40.9万辆，同比增长65%。而电动汽车表现出的续航里程短、循环寿命低等难题一直是制约电动汽车高速增长的主要因素，这些因素对环境温度比较敏感，动力电池在高温工作时，循环寿命缩短，安全性能下降；低温工作时，充放电容量衰减严重，且多次低温循环对安全性也有一定影响。而且，动力电池的温度特性在短期内很难取得突破性进展，这是由动力电池本身化学特性决定。为降低动力电池化学特性短板对整车的影响，需通过热管理手段改善动力电池工作环境，减少外部环境对动力电池工作环境的影响，从而降低对整车的负面影响。

1 锂离子动力电池特性分析

1.1 温度对动力电池容量的影响

为研究磷酸铁锂动力电池的低温充电特性，将相同规格且SOC为0%的磷酸铁锂动力电池分别置于-25℃、-15℃、-5℃、5℃、15℃和 25℃的环境温度下搁置 20小时后充电至结束，充电容量随环境温度的变化如图1所示。

图1 充电容量随环境温度变化曲线Fig.1 Change curve of charge capacity with ambient temperature

当环境温度低于-20℃时，磷酸铁锂动力电池的充电容量低于50%，不能满足电动汽车的正常运行，应采取低温加热保温措施使磷酸铁锂动力电池工作在理想温度范围内[2]。

1.2 温度对动力电池寿命的影响

为研究温度对动力电池寿命的影响，需分析磷酸铁锂温升特性。试验测得动力电池以极限工况（实车最大电流放电，然后进行快速充电）进行充放电，所得的温升为12℃（该温升为绝热温升）。若天气气温在38℃时，动力电池以极限工况进行充放电，则动力电池温度达到50℃。由图2不同温度下动力电池寿命随循环次数变化曲线知，动力电池在炎热夏季工作时，循环寿命有一定程度的损失。

图2 循环寿命随温度变化曲线Fig.2 The curve of the cycle life with the change of temperature

2 动力电池热物性参数获取

2.1 磷酸铁锂动力电池比热容原理

目前动力电池生热模型广泛采用Bernardi方程，本文在计算动力电池生热时使用Bernardi等人建立的动力电池生热速率方程：

式（1）中：Φ—动力电池的生热功率（W）；E—单体动力电池两端的电压（V）；Ei，avg—开路电压（V）；I—动力电池电流强度，充电为正，放电为负（A）；T—动力电池的热力学温标（K）；Ii—电流强度（A）。

动力电池在绝热环境中时，在单位时间内生热功率和吸热功率相等，根据工程热力学理论整理可得：

在式（2）中，对于特定的动力电池一般认为是常量，因为它是与化学反应相关的量。此外，在做动力电池生热率实验时，动力电池在常温或高温条件下工作，动力电池欧姆内阻基本不变，所以可以把i当成变量是电流I的线性函数[3]。

在实际测量时，测量时间比较短认为是常量[4]。在不同电流条件下，绘出关于I的线性方程。利用线性方程的斜率计算动力电池的比热容，由线性方程的截距求得将其代入生热方程（3），生热方程即为关于 I的函数[1]。

2.2 试验测量磷酸铁锂动力电池比热容

在式2中，需测得动力电池在不同电流下的温升变化。当动力电池电流较小时，动力电池温升速率较慢，温度变化不明显，测量误差较大。本文选用LiFePO472Ah动力电池，当电流大于1/2C时，温度变化较明显，故分别选用0.5C、0.8C、1C电流进行放电，并对动力电池外裹保温材料，使动力电池处于绝热环境中。将试验测得的数据按式（2-5）进行处理，并利用HPPC试验求得动力电池欧姆内阻为0.11mΩ，线性拟合出如图3所示直线。

图3 试验线性拟合结果Fig.3 Experimental linear fitting results

根据直线斜率求得动力电池比热容C=925J/（kg·℃）。根据直线截距求得=0.01295。代入式（2-6），可得动力电池生热功率函数[1，3]：

设x方向垂直于动力电池的正负极片，则在y与z方向可看作是动力电池的正负极片以并联的形式进行热量传递，根据供应商提供的技术参数，可计算出单体动力电池沿 x、y、z三个正交方向的导热系数：kx=0.9W/m·K， ky=2.7W/m·K，kz=2.7W/m·K。

2.3 动力电池单体模型建立

2.3.1 动力电池热效应模型

本文研究时，认为动力电池内部材料各部分均匀，并对动力电池的结构材料进行了简化。在同一方向上，动力电池的热导率相等且不受SOC和温度的影响。基于上述假设求得动力电池热效应模型：

式（5）中，ρ—动力电池的平均密度；T—温度；Cp—动力电池的比热容；t—时间；Kx，Ky，Kz是动力电池内部沿x，y，z方向的导热率。

2.3.2 动力电池几何模型及有限元模型

由于本文研究对象为动力电池包温度场分布，为减少计算量，对单体几何模型做如下简化[2]：①忽略正负极柱；②认为单体动力电池为单一实体。经过上述简化，动力电池的几何模型见图4（a），有限元模型见图4（b）。

图4 （a）单体动力电池几何模型；（b）单体动力电池有限元模型Fig.4 （a） geometric model of single power battery；（b） finite element model of single power battery

2.3.3 单体动力电池温度场仿真与试验验证

比热容由前文试验测得，动力电池密度为质量与体积比值，表1为磷酸铁锂动力电池热物性参数表。

表1 磷酸铁锂动力电池热物性参数表Tab.1

为研究单体动力电池实际生热量大小，将单体在初始温度为 25℃的绝热环境下进行仿真，图5（a）、5（b）分别为单体动力电池以0.8C、1C电流放电的温度图。

图5 （a）0.8C放电温度云图；（b）1C放电温度云图Fig.5 （a） 0.8C discharge temperature cloud chart；（b） 1C discharge temperature cloud chart

0.8C放电实测温度曲线与模拟温度曲线对比如图6所示。 由图6可知，在绝热环境下，单体仿真温升与试验温升具有较高的吻合度，单体仿真模型较为准确。

图6 单体0.8C放电对比曲线Fig.6 Contrast curve of single 0.8C discharge

2.4 动力电池包加热特性仿真研究

（1）动力电池包建模。动力电池外裹3mm厚的保温材料，该保温材料会影响加热效率和动力电池散热。为简化计算对动力电池包做如下处理：①忽略动力电池表面模组框；②忽略控制器及其线束等；③忽略动力电池间的空气流动（由瑞利数计算知，包内空气流动为层流，通过二维分析知其流速较小，对动力电池温升变化影响较小）。

（2）空气对流对加热效果的影响分析。动力电池加热过程中，动力电池包内部空气温升较快，动力电池温升较慢，温差使空气产生自然对流，自然对流会加快动力电池温升。本文采用二维方式分析空气对流对加热的影响。图7为动力电池包某截面的温度变化云图及速度变化云图。

图7 （a）动力电池截面温度变化云图；（b）动力电池截面流速云图Fig.7 （a） cloud chart of cross section temperature change of power battery；（b） cross section velocity cloud chart of power battery

由图7知，流动的大小与动力电池间的间隙和温差有关。由于大部分区域间隙小，流动较弱，这些区域温升主要依靠导热引起，所以通过增加导热材料可明显增加加热效果，且可缩小上下层温差。

3 总结

本文基于国内外在动力电池热管理的的研究及应用现状，建立动力电池单体模型，通过仿真分析磷酸铁锂动力电池及热管理系统的加热特性，分析得出电池加热温升主要依靠导热引起，所以在有空气间隙区域需适用导热材料。

[1]王青松，孙金华，陈思凝等.锂离子电池热安全性的研究进展[J].电池，2005，3.

[2]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂动力电池性能研究[D].北京：清华大学汽车工程系，2011.

[3]Noboru Sato，Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J]，Journal of Power Sources，2001（99）：70-77.

[4]Rao L，Newman J.Heat-generation rate and general energy balance for insertion battery systems[J].Journal of the Electrochemical Society，1997，144（8）：2697-2704.