车用磷酸亚铁锂电池的热特性与热物性研究

  本站   2020-09-26 次浏览

      本文中通过实验和仿真，研究了车用动力磷酸亚铁锂电池的热特性与热物性。首先通过实验测试了 电池的内阻和熵权系数，并采用 Bernardi 方程计算了电池的时变热源。接着采用量热桶和瞬态热线导热仪测试了 电池的比热容和热导率等热物性参数。最后，考虑了自然对流和热辐射边界条件，采用 CFD 软件对电池单体和模 组的温升特性进行仿真。结果表明，高温环境下的电池温升幅度较低温下的小，自然对流条件下电池模组的均温性 较差，需要良好的热管理策略。

        近年来，随着电动汽车产业快速发展，乘用车动 力锂电池的市场需求快速增长，同时电池的安全性 逐渐受到人们重视［1］。锂离子电池在工作过程中产生的热量若不能及时散发，易发生热量聚集和温度 不均匀，使电池的一致性变差，继而降低整车的可靠 性［2］。因此锂离子电池的热特性研究成为电动汽车 领域的热点问题之一。通过实验获取电池的热性能 参数，并采用 CFD 软件对其温度场进行数值仿真， 可为分析和改善电池的热安全性提供依据［3］。

       锂离子电池的热仿真模型按其原理可分为电热 耦 合 模 型、电 化 学-热耦合模型和 热滥用模 型［4 － 5］。Funahashi 等人［6］基于 Bernardi 电池生热模 型分析了锂电池的热特性，指出可逆熵变热对电池 以低倍率放电时的生热特性的影响不可忽略。Inui 等人［7］通过实验证明了工作温度与 SOC 对电池内 阻的影响较大。Jeon 等人［8］和 Ye 等人［9］通过数值 仿真研究了电池的生热特性，并通过实验验证了仿 真的有效性，指出电池在高倍率放电时产生的焦耳 热远大于可逆熵变热，低倍率放电时则相反。 Drake 等人［10］首先求解一维导热微分方程获取 圆柱形电池热导率和比热容的表达式，其次开展实 验测取了圆柱形电池的热物性参数，指出锂离子电 池的热导率具有较强的各向异性。Sheng 等人［11］基 于能量守恒定律，通过实验测取了方形锂离子电池 的比热 容，指出电池比热容受温度的影响较大。 Zhang 等人［12］和冯旭宁等人［13］以实验和仿真相结 合的方式研究了大尺寸方形电池的热参数，指出采 用常规方法测算电池的热参数误差较大。Bazinski 等人［14］采用等温量热仪测试了软包电池的热参数， 指出温度和 SOC 对电池的热参数有影响。由此可 见，锂离子电池的热物性参数对其工作性能影响较 大，对锂离子电池的热物性进行研究，可为改善其工 作性能和热特性提供帮助。 综上所述，前人对动力电池在非常温和高倍率 等恶劣工作工况下的生热特性研究较少，对锂离子 电池热物性的研究多选用昂贵的专用设备，费用较 高，测试周期较长。鉴于此，本文中以车用动力磷酸 亚铁锂电池为对象，研究了在 － 20 ～ 40 ℃ 温度工况 下电池内阻和熵变热随 SOC 而变化的关系，并考察 了电池在低温环境下和以高倍率电流放电时的温升 特性。采用量热桶和热线导热仪测试了电池的热物 性参数。基于 Bernardi 生热模型计算了电池的生热 率，并采用 CFD 软件对电池单体和模组的热特性和 均温性进行了研究，以期对电池组的优化设计和电 池热管理系统的开发应用提供借鉴。 

1 锂离子电池的热特性实验 

        本文中以磷酸亚铁锂( LFP) 动力电池为实验对 象，旨在测试其热特性和热物性参数，为研究电池的 热特性提供依据。电池试样产自上海航天电源技术 有限公司，规格参数见表 1。本次实验用到的实验 设备有深圳新威 BTS4000 电池充放电测试系统、恒温箱、安捷伦数据采集仪 34972A 和计算机等。

       电池组由 n 节电池单体以串并联方式组成( n = 1，2，3，4) ，静置于恒温箱。测温元件为 T 型热电偶， 产自上海瓦特龙电子科技有限公司，量程 － 200 ～ 350 ℃，精度 0. 4% 。 为选取合格的实验对象和避免不必要的偏差， 挑选了 4 节在常温下电压、内阻和充放电容量一致 性均在 2. 0% 以内的电池单体( 编号 I － IV) 作为测 试对象。 

1. 1 电池的内阻和熵权系数 

      采用混合脉冲功率特性 ( hybrid pulse power characterization，HPPC) 法［15］测试电池单体内阻，结 果见图 1。 由图 1 看出，在每一工作温度工况和每一放电 倍率下，LFP 电池内阻随 SOC 的减小而增大。在每 一 SOC 下，LFP 电池内阻随工作温度的升高和放电 倍率的增大而减小，文献［16］中有相似趋势。 采用电位滴定法［17］测试电池的熵权系数，结果 见图 2。 由图 2 看出，LFP 电池的熵权系数几乎不受温 度影响，是一个仅与 SOC 相关的量。当 SOC 为 0. 4 时，熵权系数接近 0。当 SOC 在 1. 0 ～ 0. 4 区间内时 熵权系数大于 0，熵变热为吸热。当 SOC 在 0. 4 ～ 0 区间内时熵权系数小于 0，熵变热为放热。Zhang 等 人［17］得到了类似趋势。 

1. 2 电池的温升特性 

      电池组由 4 节电池单体以两并两串( 16A·h) 的方式组成，单体间隔 2 mm，每节单体表面布置 5 个热电偶，如图 3 所示。以 III 号电池为例，图中序 号 1 ～ 3 为电池单体正面的热电偶编号，括号中序号 4 和 5 为电池背面的热电偶编号。

1. 2. 1 电池单体的温升 

       以电池单体为对象研究其工作温升特性，结果 见图 4。图中温升值为 5 个测温点的平均值( 测试 过程中测得 5 个测温点的最大温差小于 0. 3 ℃ ) 。 由图 4 看出，电池的温升曲线在放电末期展现 出明显的“上翘”现象，这主要是由电池内阻在电池放电末期增大较快所致。此外，由图 4 ( a) 和图 4 ( b) 可知，环境温度越低，温升幅度越大，放电时长 越短。由图 4( c) 可知，同一温度下，放电倍率越大 温升幅度越大，放电时长越短。可见，工作温度的降 低和放电倍率的增大使电池的放电容量减少，导致 工作效率降低。

1. 2. 2 电池组的温升 

        当电池组在 20 ℃ 环境温度下以 1C 倍率放电 时，所得每节单体的温升和放电时长如图 5 所示。 由图 5 看出，电池组中每一单体的温升趋势与 图 4 中独立电池单体的温升趋势一致。其中 I 号和 IV 号电池单体的温升较接近( 记为温升 j) ，II 号和 III 号电池单体的温升较接近( 记为温升 k) ，且温升 j小于温升 k，因为 I 号和 IV 号电池位于电池组外部， 更易于与周围环境进行热量交换。而在相同工况下 电池组中每一单体的温升幅度均大于独立单体的温 升幅度。主要原因为独立电池单体较电池组中的各 节单体更能及时通过对流换热和辐射换热形式将自 身热量散发到周围环境。

2 锂离子电池的热物性实验 比热容和热导率是锂离子电池的重要热物性参 数。本文中分别采用冷却法和瞬态热线法测试电池 的热参数。 2. 1 比热容 由能量守恒定律，当不同温度的电池和冷却液 在热平衡过程中，二者具有相同的能量变化:

式中: cc，cl 分别为电池和冷却液的比热容; mc，ml 分 别为电池和冷却液的质量; ΔTc，ΔTl 分别为电池和 冷却液的初始与达到热平衡时的温差。 本文中以液态水为冷却液，使用的实验设备包 括恒温箱、温度采集仪和量热桶。测试前，采用聚酰 亚胺薄膜密封电池极耳。首先将室温、量热桶和电 池的初始温度调节为 25 ℃。接着取 4 节满电电池 单体( 共 1. 3 kg) ，将其放入量热桶( 冷却液 5 kg) 中，监测电池与冷却液的温度变化。最后分别将电 池 SOC 调至 0. 5 和 0，重复上述步骤。根据测得数 据和式( 2) 计算电池的比热容，结果见表 2。 由表 2 可知，电池的比热容随 SOC 的减小有所降低，降低比例约 3. 5% ，文献［14］中有相似趋势， 二者平均值相差约 6. 3% ，表明量热桶可有效用于 电池的比热容测试。相比于采用等温量热仪测试电 池的比热容［14］，或是通过拆解电池然后基于混合物 比热容加权平均法测算其比热容［12 － 18］，本方法可有 效缩短实验周期和节约成本。

2. 2 热导率 

     采用瞬态法测试电池的热导率，其控制方程为

     实验所用仪器为高精度热线导热仪( 型号 XIATECH TC3000，量程 0. 005 ～ 100. 0 W/( m·℃ ) ， 精度 ± 3. 0% ) 。首先检验样品硼硅玻璃( 厂家提 供) 的热导率，确保测试误差不大于 3. 0% 。接着测试满电电池的热导率( 本文所用电池试样其内芯是 由两个相同的子芯并联组成，测试时破除电池侧面 壳体，将导热仪探头埋入两子芯之间，示意图见图 6) 。最后将电池 SOC 分别调节为 0. 5 和 0，重复上 述步骤。测试结果见表 2。

图 6 电池热导率测试示意图

      由表 2 看出，锂离子电池的热导率 λ 随 SOC 的 降低有所增大，增大比例约 1. 5% ，文献［14］中有相 似趋势。但所得结果有差异，原因为不同品牌 LFP 电池的正负极材料的密度、层叠间距和厚度以及电 解液的种类等各有差异，从而使不同型号和类别间 的电池热导率具有差异性。文献［12］和文献［13］ 中获取电池热导率的方式须结合实验和仿真，工作 量较大，周期较长。Chen 等人［18］通过查阅文献获取 组成电池每一层材料的热导率，然后采用串联热阻 叠加原理计算电池的整体热导率，该方法须拆解电 池测取其每一层极片的厚度和质量占比。因电池电 解液易挥发且有毒，故该测算过程较危险。本文中 采用热线法测量电池热导率，操作简便、安全，速度 快，准确度高。 

3 锂离子电池热特性的数值仿真 

       锂离子电池的生热和散热过程是一个具有时变 性的非稳态传热过程［19］。本文在对电池的热特性 仿真时视电池为均质实体，忽略外壳和极耳。此外， 所设电池热物性参数不随温度和 SOC 而变化。 

      锂离子电池在工作过程中的热量生成主要包括 焦耳热和电化学反应热( 可逆熵变热) 。广泛应用 的简化 Bernardi 电池生热模型［17］为式中: qc，Vc，Ｒ，I，T 和 UOCV分别为电池的生热率、体 积、内阻、工作电流、工作温度和开路电压; dUOCV /dT 为电池熵权系数。 前文中已通过实验研究了电池内阻和熵权系数 与 SOC 的曲线关系。当电池以恒流放电时其 SOC 与工作时间 t 的函数关系［20］为: SOC( t) = 1 － It /CN， 其中 I 为电池工作电流，t 为电池放电时间，CN 为电 池容量。由此结合式( 8) 可获取电池生热率与放电 时间的曲线关系。采用 CATIA 软件建立电池的几 何模型，采用 ANSA 软件划分模型网格，采用 Fluent 软件分析电池的热特性，并编辑用户自定义函数 ( user defined function，UDF) 程序以控制电池的时变 热源。 3. 1 电池单体热特性的数值仿真 电池表面的对流换热系数和辐射率分别设为 3. 9 W/( m2 ·℃ ) 和 0. 4 ［21 － 22］。仿真时，在电池模型 中选取与图 3 中对应的 5 个测温点以监视模型的温 度变化。求取监测点温升平均值，然后与电池的实 际温升进行比较，结果见图 4。可以看出，仿真结果 与实验结果吻合一致，证明本文所建立模型可有效 用于电池单体的热特性仿真，但存在一定偏差，偏差 分析见图 7。

图 7 电池单体热特性数值仿真偏差

       由图 7 可见，仿真的电池最大温度偏差均未超 过 3 ℃，表明所建模型是有效的。当电池在环境温 度 0 ℃以上以 1C 电流放电时，温差均未超过 1 ℃， 其中，环境温度在 30 ℃时，温差为 － 0. 6 ℃ ; 当环境 温度在 0 ℃以下以 1C 倍率放电时，温差随温度降低 而逐渐增大，该现象可能因为电池的热物性与温度 具有一定的相关性，比如 LFP 电池的比热容和热导 率均随工作温度的降低而增大［14］。

       另外，电池表面 的换热系数在低温条件下因空气黏度降低而有所 降低。 

3. 2 电池组热特性的数值仿真 

       考虑到电池组的对称性，选取 I 和 II 号电池分别建立模型，I 号电池表面的对流换热系数和辐射 率分别设为 1. 8 W /( m2 ·℃ ) 和 0，II 号电池的对 流换热系数和辐射率均设为 0 ［21 － 22］。仿真结果和 实测结果的对比见图 5，其中最大仿真温差低于 0. 4 ℃ 。 此外，根据 1. 2 小节实验结果( 20 ℃ 环境温度 下 1C 放电) ，考察了电池单体和模组的均温性。引 入热不均匀度( 热不均匀度定义为最大温差与平均 温度之比: Nuni = ΔTmax /Tavg ) 概念来评判电池均温性 的强弱，结果见图 8。

图 8 电池组与电池单体的热不均匀度

      由图 8 看出，电池组的热不均匀度始终高于电 池单体，且其变化程度亦较电池单体显著，表明电池 组的均温性较差。在后续工作中，须针对每个电池 进行热管理，保证模组的均温性十分必要。 

4 结论 

       以车用动力磷酸亚铁锂电池为研究对象，首先 通过实验研究了其热特性和热物性，其次编辑电池 的时变热源 UDF 程序，采用 CFD 软件对其单体和 模组的温升特性进行数值仿真。发现 LFP 电池在 低温环境下的放电温升幅度较常温下的高，在高倍 率电流工作时的温升幅度较低倍率时的高。将量 热桶和热线导热仪用于锂离子电池的热物性测试， 数据显示 LFP 电池的热物性受 SOC 影响较小，该 测试方法与采用等温量热仪和采用传统的串联热 阻叠加法、混合物比热容加权平均法相比，可有效 降低实验成本和缩短实验周期。均温性研究发现 电池组的均温性较差，对其施行有效的热管理策略 十分重要。仿真温度偏差分析表明，本文中所建模 型可有效用于锂离子电池的热特性数值仿真，为进 一步研究电池模组的结构形式和均温性等奠定了基础。

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