德耐隆浅谈新能源汽车的动力电池包是如何进行散热的

     2022-06-21 次浏览

近日，据国家应急管理部官网消息，2022年新能源汽车火灾事故平均每天超7起！一季度比起去年同 期上升32%共640起。

据官网介绍，目前新能源起火原因主要可归为6点，包括但不限于：电池部件老化、外部碰撞、高温天气、电池热失控、高负荷运作及用电因素所导致的占一半以上，其次是外部碰撞起火。

动力电池组可以算是汽车的最核心部件，可以说直接决定了车辆的续航里程表现。我们都知道动力电池组要在一定适宜的温度环境中工作，那么，高温的情况下，电池容易过热损坏么？

实际上，即便说汽车在高温环境，比如说在炎热的夏季工作，动力电池组也是不容易损坏的。因为在设计之初，动力电池组就采用了耐高温材料，这些耐高温材料可以抵挡较高的温度。而且动力电池组中的电芯、模组以及系统都做了隔热防控，所以可以更好地在高温环境中工作。

国内大多数电动汽车都是以锂电池作为动力电池的主要原材料。从下表可看出，两种电池材料各有优缺点，也正因此才会根据具体的车型和需求采用不同的电池材料。据了解，在乘用车领域三元锂电池已成为主角，而在客车领域磷酸铁锂电池则更常用。

如何给电动汽车动力电池散热？动力电池工作电流大，产热量大，同时电池包处于一个相对封闭的环境，就会导致电池的温度上升。这是因为锂电池中的电解质，电解质在锂电池内部起电荷传导作用，没有电解质的电池是无法充放电的电池。锂电池大部分是易燃、易挥发的非水溶液组成，这个组成体系相比水溶液电解质组成的电池有更高的比能量和电压输出，符合用户更高的能量需求。因为非水溶液电解质本身易燃、易挥发，浸润在电池内部，也形成了电池的燃烧根源。因此上述两种电池材料的工作温度都不得高于60℃，但现在室外温度已接近40℃，同时电池本身产热量大，将导致电池的工作环境温度上升，而如果出现热失控，情况将十分危险了。为了避免变成“烧烤”，给电池散热就尤为重要了。

电池包散热有主动和被动两种，两者之间在效率上有很大的差别。被动系统所要求的成本比较低，采取的措施也较简单。主动系统结构相对复杂一些，且需要更大的附加功率，但它的热管理更加有效。

不同传热介质的散热效果不同，空冷和液冷各有优劣

采用气体（空气）作为传热介质的主要优点有：结构简单，质量轻，有害气体产生时能有效通风，成本较低；不足之处在于：与电池壁面之间换热系数低，冷却速度慢，效率低。目前应用较多。

采用液体作为传热介质的主要优点有：

与电池壁面之间换热系数高，冷却速度快；不足之处在于：密封性要求高，质量相对较大，维修和保养复杂，需要水套、换热器等部件，结构相对复杂。

在实际的电动大巴应用中，由于电池组容量大、体积大，相对来讲功率密度比较低，因此多采用风冷方案。而对于普通乘用车的电池组，其功率密度则要高得多。相应的，它对散热的要求也会更高，所以水冷的方案也更加普遍。不同的电池包结构传感器会根据测温点和需求来定。温度传感器会被放置在最具代表性、温度变化幅度最大的位置，例如空气的进出口位置以及电池包的中间区域。特别是在最高温和最低温处，以及电池包中心热量累积较厉害的区域。这样有助于将电池的温度控制在一个相对安全的环境，避免过热和过冷对电池造成危险。

另外，就是电池隔膜的作用，主要是在狭小空间内将电池正负极板分隔开来，防止两极接触造成短路，却能保证电解液中的离子在正负极之间自由通过。因此隔膜就成了保证锂离子电池安全稳定工作的核心材料。

电解液是为了隔绝燃烧来源，隔膜是为了提高耐热温度，而散热充分则是降低电池温度，避免积热过多引发电池热失控。如果说电池温度急剧升高到300℃，即使隔膜不融化收缩，电解液自身、电解液与正负极也会发生强烈化学反应，释放气体，形成内部高压而爆炸，所以采用适合的散热方式至关重要。

01热防护与冷却散热集成系统

采用国内某公司生产的额定容量为 10 Ah 的方形三元材料锂离子电池作为研究对象，参数见表 1。

基于热管冷却的热防护结构示意图如图 1 所示，它包括电池组、隔热板、热管组、冷却介质（图中未标出）。每两个电池单体之间错落放置热管组或热隔离层，达到均匀散热和有效阻隔的作用。其中，热管组设置为铜片 - 热管（4 根并列）- 铜片的夹层结构，铜片的作用是增强电池与热管之间的导热性能。为提高热管散热性能，热管蒸发段被挤压成3mm厚的平板，增大了与铜片的接触面积 [7-8]。

基于热管冷却的热防护装置结构侧面示意图如图 2 所示。以中间一组隔热板 - 电池 - 热管 - 电池 -隔热板为一个集成系统单元，给出一维热阻网络图。热阻网络图由RC电路表示，其中电阻代表热阻，电容代表比热容，电源代表电池单体的自发热量。

正常运行时，电池单体连续产热，小部分热量通过隔热板传递到邻近的电池单体上，主要热量通过冷却方式散热。因此，要提高热管理性能，必须采取有效的散热手段。热管由于其高导热性、结构紧凑、形状可变的优点成为较有优势的冷却方式 [9-10]。

当某电池单体触发热失控时，产热量骤增，散热量远小于产热量，热量向周围电池传递，会迅速引发周边电池大规模热失控，形成安全隐患。因此有必要在电池单体之间增加隔热板，减缓热失控的传播速度，为采取进一步消防措施争取时间。2　热防护与冷却散热集成系统建模

02热防护与冷却散热集成系统建模

为验证所提出的热防护与冷却散热集成系统的有效性，建立该系统的集总传热模型，对电池组正常运行工况和单体电池发生热失控时进行仿真研究。该模型将电池、隔热板和热管各层均视为具有质量、热容以及热阻的质点，通过计算电池的产热量和各个单元之间的传热量得到各部分的温度变化情况。

2.1　锂离子电池导热模型

针对电池组的热管理系统模拟主要侧重于各电池单体之间的温差分布，以及某单体触发热失控后在电池组中的传播情况，所以采用电池单体的集总模型。同时考虑到采用的电池沿 x、y 方向的导热系数远高于 z 方向的导热系数，将电池组简化为 z 方向的一维传热模型。

2.2　锂离子电池热失控产热模型

锂离子电池的热失控包含了一系列复杂而剧烈的物理化学过程，其中的产热包括电池内部材料的分解，相互反应产生的化学反应热和正负极短路产生的焦耳热。将单体电池视为一个集总的热源，其产热量包括化学反应热和短路产生的焦耳热 [11]：

对任意反应 x，其产热量取决于化学反应速率和单位反应的产热量，而各反应的反应速率满足Arrhenius 方程，具体可见文献 [3]。

式中：Δt 为短路过程的平均持续时间，s；ΔHj 为短路过程中释放的总热量，J；Tshort 为发生短路的温度。对于本研究所建立的热失控传播模型，第一块单体电池因针刺导致短路引发的热失控，即在 0 时刻发生短路，所以 Tshort=T(0)。其它电池由于隔膜受热分解引发热失控，所以 Tshort=160 ℃为隔膜崩溃的温度。

2.3　热管模型

2.3.1　热管的结构

热管结构与原理如图 3 所示，从外到内分别为铜壳、毛细芯和蒸发腔。热管的一段为蒸发段，由直径 8 mm 的圆柱体压成 3 mm 厚的平板以减少热管与铜片的接触热阻；中间段为绝热段；另一段为冷凝段。当热管的一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料利用毛细作用流回蒸发段。

考虑到模拟的时效性及针对性，以及方便热设计者们进行热管对于电池热管理系统的传热研究，有必要在保证模拟精度的前提下合理简化模型。PRASHER 等 [6] 在毛细芯完全充满液体、毛细芯内无蒸发的条件下提出了热管固体等效模型，即将热管看成由铜壳、毛细芯、蒸汽核三部分固体组成的三明治结构，并通过试验验证其可行性。YE 等 [7-8]采用该简化固体模型研究快充条件下的热管冷却情况，其结果与试验值基本吻合。

图 3 中还给出了简化热管的等效热组图，热量传递分为径向和轴向两方面。径向来看，热量在蒸发段依次经过铜壳、毛细芯到液汽表面，在冷凝段则相反，其中毛细芯热阻较大为主要热阻，液汽表面热阻较小可忽略不计；轴向来看，毛细芯热阻较大，属于低导热区简化为断路，而蒸发腔内蒸汽轴向传递系数非常高，热阻几乎忽略不计。

2.3.2　铜壳

由于铜壳在模拟中的热传递方式是纯热传导，所以直接取铜的密度、热传导系数、比热容等热参数值。

2.3.3　毛细芯

目前选择的热管载热能力上限高于本研究的正常工况热负荷，所以运行过程中不会出现冷却液蒸发干的情况。本文引用 CHI 等 [12] 基于假设毛细芯主体可以看成是在多孔结构充满液体的条件下，提出的计算毛细芯主体传热系数 kwick 的简化模型：

式中：k1 和 ks 分别为工作液体热传导和烧结铜粉多孔毛细结构的热传导系数；ε 为孔隙率，其值为 0.5。毛细芯的密度和比热容分别通过平均体积法计算，包括毛细芯和相变液体两部分：

2.3.4　蒸发腔

对蒸发腔内蒸汽的简化基于以下假设：蒸汽是不可压缩的；蒸汽流动处于层流充分发展段，随温度变化的压降遵循 Clapeyron 方程以及理想气体定律。圆柱形热管内相变产生的蒸汽热传导系数可以简化为：

2.3.5　热管模型验证

由于热管模型比较复杂，这里仅对简化热管进行验证。热管采用分段的简化三层固体模型，其中冷凝段分为 6 段，绝热段分为 2 段，蒸发段分为 7 段。

YE等[7-8]在热管蒸发段分别设置18.6 W、28 W、38 W 恒定热源，用试验的方式得到随热管沿长度方向的温度分布。同时采用上述简化三层固体模型仿真，模拟结果与试验结果一致。为验证所采用模型的可靠性，设置热管的边界条件与文献 [8] 中的相同，并以文献 [8] 中采用的模型所得到的温度曲线为参考值。仿真结果如图 4 所示，在不同热源条件下热管随长度方向的温度曲线与参考值基本吻合。当蒸发段输入功率较大时，模拟结果略低于参考值；而随着蒸发段输入功率降低，即电池组运行工况接近于正常工况时，模拟结果几乎与参考值重合。

2.4　隔热板参数

目前采用的隔热材料有泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板等。电池组内隔热板主要考虑耐高温、防振动、不产生有毒气体而且质轻价低，同时由于其具有均低导热性，本研究采用的隔热板导热系数约为 0.002 W/（m·K）。

2.5　边界条件

电池与环境之间主要通过对流换热与辐射换 热，因此换热系数 h 主要由两个因素决定，分别 为对流换热系数 h1 以及辐射换热系数 h2，其中 h1 约为 10 W/（m·K），h2 由以下方程确定：

03仿真结果分析

为简化计算，这里取 6 个电池为一组，使用Matlab/Simulink 软件搭建一维电池组热模型。为验证该集成系统的散热和阻热性能，分别与其它不同方案对比。其中，方案一代表电池单体间不添加任何散热隔热措施，方案二代表电池单体间安置隔热板，方案三代表电池单体间安置热管组，方案四代表单体间错落安置隔热板与热管组。

3.1　正常工况下的温度分布

为研究集成系统正常工况下的散热性能，分别考虑了 1 C、3 C、5 C、10 C 等不同放电倍率下，电池组在同一放电工况下工作时的温度分布。由图 5 可知，4 种不同方案在 3 C 放电时的温度分布，由于电池组是对称结构，图中只显示出了cell1、cell2、cell3 的温度随时间变化曲线。

由图可知，方案一与方案二的温度分布趋势基本相似，且最高温度在1200s时均为57℃左右。这表明仅依靠增加隔热板并不能改善电池散热，因为此时各电池单体之间产热量相近，而两侧电池单体的空气接触面较大，受到自然对流及热辐射作用较强，中间电池单体需要向两侧电池单体传热，而隔热板的存在阻断了这一热量传播过程。相比于方案一与方案二，方案三与方案四达到稳态的时间较短，同时，最高温度较低，分别降低了 12 ℃和 10 ℃。这表明热管冷却可以有效带走热量，保证电池组运行的散热性能。除方案三外，其它方案电池组内电池单体最高温度都在中心，两侧电池温度较低。方案三由于内部热管冷却量远高于周边的空气对流及辐射换热，随着时间增加逐步呈现中心温度低于两侧温度的现象。

由图6可知,方案二与方案四在不同放电倍率下电池组最高温度与最大温差随时间分布。在方案二中，随着放电倍率增大，放热明显增加，导致最高温度与最大温差随放电倍率迅速增长。当放电倍率由 1 C 增到 10 C 时，最高温度由 43.4 ℃增至 91.5 ℃，最大温差则由 5.4 ℃降至 4.1 ℃。因为隔热板阻碍电池单体间传热，放电倍率越大，周边散热影响越小，中心电池温度骤升，与两侧电池间的温差则逐步减小。与此相比，方案四的温度随放电倍率增长缓慢。最高温度和最大温差分别由 41.07 ℃和 1.379 ℃增至73.22 ℃和 2.417 ℃。根据 LING 等 [10] 的总结，正常工况下锂离子电池最高温度不易超过 45 ℃，以及PESARAN 等 [11] 的总结，电池组内最大温差不宜超过 5 ℃，在 3 C 放电倍率下方案四基本满足条件。

3.2　不同模式的散热性能对比

图 7 表示 4 种方案下电池组内最高温度及最大温差对比。如图 7a 所示，方案一与方案二的最高温度基本相似，表明仅通过设置隔热层和外部对流散热不能加强散热性能。与此同时，方案三和方案四的散热性能明显比前两者好。

由图 7a 可知，随着放电倍率增大，方案四的最高温度一直略高于方案三，在 10 C 时，温差有增大的趋势。由于热管带走热量的多少与热管数量密切相关，方案四要兼顾热失控隔热，将方案三中部分热管置换为隔热板。而由图 7b 可知，当放电倍率由 1 C 升至 10 C 时，方案三的最大温差由 0.94 ℃骤升至 7.56 ℃，而方案二最大温差变化平稳。考虑到电动车正常运行工况在 3 C 以下，且方案四随工况变化温差较小，表明电池组温度散热性能更稳定高效。

3.3　热失控时的热性能分析

当热失控触发后，分析4种方案对于热失控的阻断作用，同时探究隔热板厚度分别为1mm和2mm时对热失控传播的影响。

由图8可知，四种不同方案下cell1电池单体触发热失控后触发cell2到cell6发生热失控的时间。方案一与方案三在热失控触发后，热失控迅速传播，cell1到 cell6相继在500s内发生热失控。方案三发生热失控的时间比方案一稍慢，这是因为热管冷却能够带走部分热量，但在短时间内转移热失控爆发热量的能力有限，在没有防护措施的辅助下热失控传播只能比方案一延迟几十秒。同时由于热管外壳为铜，有利于相邻电池之间传热，促使热失控迅速蔓延。对比结果显示，方案二阻热作用最好，热失控以稳定速度从cell2传播到cell6，电池单体之间触发约需700s，由此可见隔热板对于热失控传播阻断效果明显。

方案四阻热效果明显高于方案一与方案三，但低 于方案二，同时时间随电池单体传播顺序呈梯度变化。主要由于隔热板热传导系数较小，两侧电池单体温差 较大且热失控传播较慢，耗时明显长于隔热板之间电 池单体的传播时间，分别约为 790 s 和 72 s。

4 种不同方案下热失控触发后电池组内各单体的最高温度，以及改变方案四中隔热板厚度对热失控的影响，见表2。由表可知，方案二热失控时达到的最高温度远高于其它方案，其中cell3的最高温度高达924.6 ℃，因为设置隔热板虽然有利于电池组阻热性能，却增加了散热难度，中间电池单体散热性能变差，增加了热失控电池起火的风险。方案三和方案四则明显降低了热失控触发后的最高温度，以cell3为例，分别下降了85.5 ℃和88.3 ℃。方案四的cell2和cell4在热失控传播过程中的最高温度呈现小幅度上升，因为隔热板阻断相邻电池单体之间传热，隔热板前的失控电池单体会出现少量聚热现象。

为了分析隔热板厚度对热失控传播的阻断影响，将隔热板厚度由1mm增至2mm。由表2可知，热失控由cell1传递到cell2之后就不再传播了，因为隔热板低导热性延缓了失控电池的传热速度，为快速散热提供了时间，在热失控还未传递到临近电池之前失控电池单体就被有效冷却了。

04结论

以热防护与散热集成系统为对象，以模拟仿真为主要研究手段，对4种方案下正常工况与热失控时电池组的散热与隔热性能进行分析，对比验证该集成系统的热管理性能，并探究了隔热板厚度对于热失控传播的阻隔作用，得到以下结论。

（1）四种方案对比表明，方案二阻热性能突出，可有效延缓热失控传播，但是散热性能较差，仅仅依赖隔热板和自然散热无法满足电池组热管理需求。方案三散热性能良好，但随着放电倍率增大最大温差骤升。同时，热失控触发后阻热性能远低于方案二和方案四。而方案四不仅大大增强了电池组的散热能力和电池组内各单体温度均匀性，其高隔热性能还可有效阻断热失控传播。

（2）通过改变隔热板厚度，增强电池组散热能力，可有效阻断热失控传播。当隔热板厚度由1mm增加到2mm时，在保证热管正常工作的前提下，可将热失控阻断在隔热板之前。

（3）合理的隔热措施与冷却方式相结合不仅能有效提高电池组工作温度区间的稳定性，还能有效阻断热失控。可在以后的研究中考虑将圆柱热管改为平板热管与隔热板集成，减少冷却装置的占用空间。