鋰電池熱管理系統類型和建模實例

4 人贊了文章

1 溫度對鋰電池的影響

溫度對鋰電池的影響，從溫度過高和過低兩個方面考慮。

溫度過高

短期，溫度過高，鋰電池存在損壞以及熱失控的風險。鋰電池負極SEI膜的溶解起始溫度在90℃左右（不同型號電芯有差別），一旦保護膜開始溶解，工作以外的自生熱過程就此開啟，電池進入了熱失控預備階段。在這個短暫的時間窗口內，不能有效降低電池溫度，熱失控就會發生。

長期，長時間工作在較高溫度狀態，即使沒有衝破隔膜溶解溫度，電池的老化過程也會被加劇。電化學反應過程中，物質活性隨著溫度的升高而變強。電池充放電的反應過程更加活躍，表現為內阻變小。同時，副反應也跟著增強，正負極材料的溶解、電解液自身分解過程都會加劇。

鋰電池長期在過高溫度下運行，壽命將受到嚴重影響。下圖是一組實驗數據，不同溫度下以相同的條件進行循環實驗，得到電池容量衰減情形對比數據。可以觀察到，過高的溫度明顯的帶來容量的加速衰減。

溫度過低

鋰電池內阻隨著溫度的降低而增大，放電能力降低，一般0℃的放電能力不會高於常溫能力的70%。低溫充電，如果不對充電電流做出對應低溫的調整，極容易出現負極析鋰問題。低溫造成鋰離子和負極材料的活性同時下降，離子嵌入材料的效率降低，同樣的充電電流，低溫下，鋰離子來不及嵌入材料內部而在材料表面形成單質結晶。鋰單質堆積，枝晶生長，是隔膜破損，出現內短路的重要原因。熱失控發生概率陡增。

2 熱管理系統類型

熱管理系統，通過對電池組系統施加加熱或者散熱的手段，調節鋰電池的工作溫度，盡量使得溫度環境處在鋰電池最適宜的範圍，以最大化發揮電池組的能力，延緩電池老化。

熱管理系統主要有三種形式。空氣介質熱管理系統，液體介質熱管理系統，相變材料熱管理系統。

空氣介質熱管理系統

空氣介質熱管理系統，是應用最早，形式相對簡單的一種形式。系統利用空氣的自然流動或者強制流動，將電池生熱帶走或者將外部加熱器的熱量傳遞給電池，並保持系統內溫度盡量均勻，溫差不要過大。

常見的空氣介質熱管理系統包括自然冷卻系統、風冷系統和器件加熱系統。

自然冷卻系統，不單獨設置冷卻裝置，依靠足夠的空間和電池包殼體的散熱能力，把電池產生的多餘熱量從電芯本身帶走。這種方法自身不具備調節能力，適用範圍較窄。

風冷，是目前應用較多的空氣介質熱管理系統。電池包設置吸風口和出風口，設計空氣在電池包內流通的通道和散熱器形式。系統可調節散熱效果的參數包括風量，散熱器形狀和數量，通道形式及風口位置和數量。風冷系統，電池包內外大氣相通，密封等級無法做到較高級別。

加熱系統，應用在寒冷地區的電動汽車，電池包往往需要加熱裝置。鋰電池自身特性決定，在溫度低於0℃以後，電池性能發揮就會受到影響，同時還伴有對電池壽命的損害。加熱器種類包括純電阻加熱，電熱膜加熱等。純電阻加熱器，發熱效率不高，同時佔據的空間較大。優點在於工作穩定，技術成熟。加熱膜，自身材質種類較多，各家名稱叫法並不統一。加熱膜以薄片的形式存在，宣稱的熱功率密度比較高，發熱效率高，理論上是比較理想的加熱形式。但其行業發展還不成熟，在汽車上應用的時間比較短，相關標準只搜集到建築行業的行標，穩定可靠性還有待測試和觀察。

液體介質熱管理系統

液體介質熱管理系統，是當前熱管理的研究熱點。溫度哦過高，利用熱容量大的液體，在電池包內部循環，將電芯多餘熱量帶走。溫度過低，可以在電池包外部將液體加熱，通過液體循環，將熱量帶進電池包內。熱量的傳遞路徑，需要有水冷散熱器接觸電芯，將電芯的熱量通過散熱器傳遞給冷卻液，再由冷卻液運輸到電池包外部。液冷系統冷卻效果均勻，可控範圍寬，理論上比較理想。但液冷也有其自身的缺陷。液冷系統佔用空間比較大，設計不理想就可能降低電池包的能量密度。液冷系統在電池包外部需要冷卻液循環系統和處理冷卻液升溫降溫的壓縮機系統，系統複雜度較高。

相變材料熱管理系統

相變材料熱管理系統，是利用相變材料發生相變的過程中，吸收熱量且溫度不變的特性，調節電池包內部的溫度。相變材料的相變溫度必須與鋰電池適合的工作溫度範圍相匹配，當前主要應用的相變材料是石蠟與膨脹石墨複合材料。

如上面的示意圖所示，相變材料需要填充到電池包內部空間，最好貼合在電池表面。溫度過高時，材料利用相變潛熱吸收熱量。

相變材料的缺陷也很明顯，它只能調節高溫，低溫還需要單獨配備加熱器。另外，相變材料填充整個電池包內部空間，這給後續的局部替換電芯帶來了不便。

3 一種鋰電池熱模型舉例

介紹一個方形鋰電池建模案例。作者周慶輝，在其論文《基於Fluent的鋰離子動力電池的熱分析》中表述了詳細的建模過程。

熱量來源

該模型認為，鋰電池的熱量來源主要是反應熱、歐姆內阻熱，極化熱和副反應熱四個部分。其中，副反應熱比例較小，可以忽略不計。三部分發熱最終可以整合成兩種熱量，不可逆熱（內阻發熱）和可逆熱（反應發熱）。

模型簡化

建立模型的對象是鋰電池單體。對於鋰電池的發熱過程，模型需要確定的參數有生熱率和熱物性參數。由於電芯的內部實質上由多種材料組成，而電化學反應的過程也極其複雜，因此，需要對電池物理模型進行必要的簡化，才能得到複雜程度和準確程度適當的上述兩類模型參數。

簡化熱傳遞過程。在電芯內部，熱傳導是熱量流動的主要方式，而輻射熱佔比極小，忽略不計；認為電池各項參數不跟隨電池溫度變化；在電池核心選擇一個發熱區域，認為這個區域是一個均勻的發熱體。

根據熱量的組成和簡化條件建立鋰電池模型函數：

公式前面3項是各方向上的導熱係數與溫度在這個方向上的二階偏導數的乘積。第四項，是生熱速率，等號右側是電池密度、電池比熱容與電池溫度對時間的偏導數的乘積。其中生熱率是需要確定的參數。

生熱速率採納的公式如下：

生熱速率，與電池體積成反比，括弧內部，前面一項是不可逆熱，後面一項是可逆熱。從公式可以看到，生熱速率與眾多電池參數以及環境溫度有關，不是一個常數。但是，為了簡化計算，在溫度不變條件下，設定它只與電流值有關，電流值越大，生熱速率越大。

材料的熱特性參數，用查表方式取得。各個方向尺寸差異較大的電芯，每個方向上選取的導熱係數也不相同。

最後，建立三維模型。電池本身是由正負極材料、鋁質銅質集流體、鎳帶極耳等多種材料混雜在一起發揮作用，模型暫時不考慮這方面的影響，認為電芯內部材料是均勻一致的。發熱的位置在電池的幾何中心，熱量以熱傳導的方式同等效的向四周擴散。模型的熱分布狀態是中心溫度最高，距離中心越遠，溫度越低。方形電池的四個角溫度最低。

參考

1 劉鵬，基於熱模型的動力電池熱故障診斷系統

2 雲鳳玲，基於高鎳三元材料鋰離子動力電池在循環前後的熱特性分析

3 周慶輝，基於Fluent的鋰離子動力電池的熱分析

4 張凱鵬，電池成組液流熱控及其強化增效實驗分析

5 甘雲華，基於熱管的圓柱形電池包冷卻性能分析

6 靳鵬超，一種使用相變材料的新型電動汽車電池熱管理系統

7 閔德平，電池組結構設計及其熱管理液流傳熱強化研究

（圖片來自互聯網）