锂电池热特性及散热特性分析

张高胜，丁晓红，周 吉

（上海理工大学，上海 200093）

为了最高效率的利用电能，储能技术应运而生。通常，为了减少储存系统的质量及体积，锂电池能够代替传统的镍及铅酸电池。与其它可充放电储能系统相比，锂电池在安全性、能量及能量密度、效率、寿命周期及灵活设计等方面都表现出优势。此外，因为锂电池在一个相对好的寿命期限内其能量及功率密度高，所以锂电池技术是储能技术应用最有希望的选择之一。

但是，锂电池模块在放电时产生大量的热量，如果热量不能及时散发出去，就会使得锂电池性能恶化，电池的寿命降低，同时，对于单体锂电池，容易造成锂电池胀包，甚至爆炸。对于储能技术，整体模块包括很多电芯，是由单体锂电池串并联组合而成，本文主要讨论单体锂电池的产热性能，并假设在放电过程中，模块的整体产热是由单体电池产热量累加而成。

因此模拟及早期的测试是有必要的，可以节省时间和避免许多的原型迭代。在锂电池中，通过电化学方程计算在不同电流情况下的电压曲线及热产生率，利用模拟软件来分析热流体动力学的冷却影响。

1 锂电池热特性

锂电池内的电化学热产生是个复杂过程。电流率、工作温度、电池化学反应等都会影响到热产生率。许多学者已经从单体到模块研究了热产生问题。然而，研究电化学模块中深层的电化学反应仍然是有必要的。与锂电池电化学反应相关的产热量主要有三方面因素：欧姆损失（因为离子运动）；激活动力学；物质运输浓度。产生的所有热造成电压降低，温度升高。

1.1 热模型分析方法

热模型从电化学反应生热的角度描述电池生热，该模型一般假设电池内电流密度的分布是均匀的。电池在工作过程中的生热速率有很多计算方法，最广泛使用的是美国加州大学伯克利分校的D.Bernardi在1985年提出的生热速率模型，如式（1）所示［1］：

1.2 电特性分析

按照如图1设计流程进行多次重复实验测试，即可获得：电流I，开路电压U及端电压E0。这些参数对于决定热产生率及解决热模型方程是有用的。

图1即为实验设计流程图［2］及单体锂电池热分析。电池单元是放在恒温箱内，与外面的循环设备相连接。在测试过程中，循环设备在放电过程中保持特定的电流率，主机连接循环设备，实时地获得并记录实验数据。同时也可以监测电流率，电压曲线、SOC及内部电阻等。

图1 实验设计流程图

主要测试：恒定充放电电流率下的端电压及开路电压。有多种不同的方法可求得此参数，通用的方法是混合功率脉冲法（HPPC），其他的方法有电流阶跃响应的方法，电流中断方法。

2 实验测试

因为储能系统是模块组装而成的，本文为了分析电池模块的热流体，建立了一个热模型。为了估算单体电池在不同SOC下的热产生率，同时为了证实以上所提供的方法表现出的优势，进行了单体电池及电池模块的测试实验，获得充放电过程中端电压、开路电压，单体锂电池表面温度的实时变化。这些电池及电池模块用低电流操作来表现其特性，故用1C放电。

本文主要分析电池在放电过程中的电池表面温度变化及电池的最高温度。

测试平台包括：充放电机器（MODEI17020 REGENERATIVE BATTERY PACK TEST SYSTEM系统），能够对电池进行充放电操作；恒温箱，保证恒定的温度条件；热像仪，能够监测电池热状态；主机，获得可处理的数据。电池放在恒温箱里，连接充放电仪器，充放电仪器实时把获得的数据发送给主机。此实验可以实时监测电流、电压曲线、电池表面温度。在恒流下充放电实验及开路电压的测试可获得电池热特性等有用的物理参数。

图2 1 C放电情况下，20 Ah单体锂电池端电压及开路电压曲线

3 热模型分析及验证

研究单体仿真模型是为了获得温度曲线，作为CFD模拟的输入数据。仿真模型由CAD软件设计，并将几何模型输入到有限元分析软件中，因为几何模型不复杂，CAD模型代表单体的实际尺寸模型。电池参数由电池制造商提供，同时在仿真中，将锂电池参数输入到有限元分析软件中。

3.1 热仿真

电池模型主要由三部分组成：电芯、外壳、电极极耳。电芯代表电池内部，在充放电过程中产生热量；外壳是用来保护内部电池；电极提供接口与电路相连接［4］，如图3。

图3 锂电池模型的三维造型图

正负极耳材质为：铝；外壳材质为：铝塑膜（厚度为0.1 mm）；内核为电芯，由正负极电解质及膈膜组成，铝塑膜与电芯紧密贴合。各部分材质特性如表1。

以内部热产生率为负载，电池表面为自然对流，对单体电池进行瞬态热仿真分析。实际上，温度曲线是与时间紧密联系的，同时，电芯加热，并通过热传导，把热量从内部传到铝塑膜表面，进行空气对流冷却。仿真模型输入数据包括：电池最初温度；产热率；电池持续放电时间；自然对流物理参数。因为此模型主要是在恒定电流下做电池放电仿真，故在整个放电过程中，各个模块产热是相同的。

表1 各部分材质特性

通过仿真，利用有限元分析软件，来迅速获得单体电池的温度特性。输入量是随时间变化的热产生率，通过以上所提的分析方法进行估算热产生率，电池的实际工作环境即为有限元软件所加的边界条件，热负载加载在锂电池内部电芯上。将模型在Workbench中进行实时瞬态仿真，获得不同SOC的温度值。

3.2 热模型的验证

利用模拟工具画出锂电池在不同SOC下的温度曲线。将实验温度曲线和热分析模型温度曲线对比来证实热模型的有效性。在实际情况下，热分析模型模拟出来的温度特性和实际温度可能不一样，此模拟的主要目的是提供一个通过温度曲线证实热模型准确性的方法［5］，当然此模型的参数是和实际锂电池参数紧密相关的。一旦热模型被证实，此模型就能够代替实际模型进行下一步的分析。实际上，通过分段差值法，将分析热模型所得不同SOC情况下的产热率插入到仿真过程中，使得热仿真更准确，更符合实际。

图4 模拟温度与实验温度对比

图4为锂电池在1C放电情况下，仿真分析得到的在不同SOC下的温度值与实际实验得到的温度值进行对比。

通过将模拟值与实验值放在同一坐标系下进行对比分析，发现分析的误差在5%以内，模拟值与仿真值基本一致，故模型成立，为以后模块的散热热分析奠定了基础。

同时发现，模拟温度在放电过程总是高于实验温度。这是因为：实验温度所测得是电芯表面的温度，而模拟所得是电池内核的温度，内核温度始终高于表面温度，但是外包装铝塑膜很薄，故内外温度相差很少。

4 单体锂电池散热分析

锂电池在放电过程中，如果温度增加到一定幅值，最高温度超过锂电池本身特性约束的温度，就会使电池性能恶化，寿命降低。

本节主要讨论如何将单体电池温升降低。温度降低主要通过两个途径：施加外力（增大空气流速）；在材料表面放置导热性好的材料，将热量从电池单元表面传导出去。

根据以上方案设置，针对锂电池进行了两个方向的仿真模拟：（1）正常空气对流系数为5，为降低温度，增大空气对流系数，模拟分析电池表面温度。（2）在电池两侧加0.1 mm的铝板（电池模块中，电池间隙最大为0.1 mm），模拟分析电池表面温度。

分析发现，在电池表面加铝板，温度降低不明显；而加大对流系数，温度明显降低，故在以后进行模块散热分析时，从增大空气流通量方面考虑。

5 总 结

本文基于锂电池模拟仿真，针对单体锂电池提出一个可以帮助工程师进行热分析及冷却设计的方法，集中探讨锂电池放电模拟仿真，同时简略地介绍了单体电池散热的研究方法，通过测试研究，提出了20 Ah单体锂电池的热分析模型。

该模型能够实时准确地模拟出锂电池单体在放电过程中产热随时间变化，以及电池表面温度的变化，这对于锂电池模块热分析是很重要的。该模型使以后电池模块的热管理及散热分析成为可能。

［1］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Modeling and thermal simulation of a PHEV battery module with cylindrical LFP cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（9）：17－20.

［2］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Analytical thermal model for characteri a Li－ion battery cell［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.

［3］ Ahmadou Samba，Noshin Omar，Hamid Gualous.Development of 2D Thermal Battery Model for Lithiumion Pouch Cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.

［4］ Cicconi Paolo，Michele，Landi Daniele.Cooling simulation of an EV battery pack to support a retrofit project from lead－acid to Li－ion cells［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2013.

［5］ Cicconi Paolo，Germani Michele，Landi Daniele.Virtual prototyping approach to evaluate the thermal management of Li－ion batteries［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2014.