文章來源：1重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室；2重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；3重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院 電池的熱管理大致分為風冷、液冷、相變材料冷卻以及熱管冷卻，熱管因為其導(dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特性，越來越受到人們的青睞。
文章來源：1重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室；2重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；3重慶大學(xué)汽車工程學(xué)院電池的熱管理大致分為風冷、液冷、相變材料冷卻以及熱管冷卻，熱管因為其導(dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠的特性，越來越受到人們的青睞。
前人對電池單體的熱管理研究很多，而針對電池包的熱管理研究稍顯不足，加之軟包電池體積小、厚度薄的物理特性及內(nèi)部結(jié)構(gòu)使然，導(dǎo)致其導(dǎo)熱各向異性。經(jīng)過實驗測量，在電池厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)只有其他兩個方向的 1/44，這也是對于軟包電池組研究較少的原因之一。如何將電池內(nèi)部的產(chǎn)熱有效導(dǎo)出并符合電池在工作過程中的溫度要求，是目前的研究重點。本文選擇 A123-8Ah為研究對象，具體的參數(shù)如表1所示。48V的電池包由14塊電池單體串聯(lián)而成，單體及電池包的實物如圖1所示。鋰離子電池的工作時主要產(chǎn)熱包括反應(yīng)熱、極化反應(yīng)熱、歐姆內(nèi)阻熱、有機電解液分解熱和固體電解質(zhì)界面膜 (SEI)分解熱，Thomas等綜合 考慮了電化學(xué)反應(yīng)、焓變、混合效應(yīng)和焦耳熱等， 建立的電池熱平衡方程如式(1)所示。式中， Q表示電池與環(huán)境的換熱；I表示電流；V表示電池的工作電壓；U表示電池的開路電壓；T表示電池溫度；m表示電池質(zhì)量；C p 表示電池的比熱容；t表示時間。而式 (1)中各項可按照性質(zhì)分為可逆熱I(V-U)和不可逆熱ITdU/dT，這兩項組合就是電池產(chǎn)熱q，即要解決電池的工作電壓與開路電壓的差值，與電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻緊密相關(guān)。歐姆內(nèi)阻是電池內(nèi)部材料接觸產(chǎn)生的內(nèi)阻，極化內(nèi)阻是電池的化學(xué)反應(yīng)及濃度差產(chǎn)生的內(nèi)阻 ，均可以通過電池的內(nèi)阻測試實驗測量獲取。可以將電池的產(chǎn)熱表達為式中， r 0 是歐姆內(nèi)阻；r j 是極化內(nèi)阻；dU/dT稱為電動勢溫升系數(shù)。要得到完整的電池產(chǎn)熱模型，需要完成電動勢溫升系數(shù)及電池內(nèi)阻測試實驗 。通過恒溫箱控制電池所處的環(huán)境溫度，充放電儀對電池進行充放電操作，采用K型熱電偶進行溫度數(shù)據(jù)的采集，溫度誤差約0.04%。電動勢溫升系數(shù)測試實驗原理較為簡單，表現(xiàn)為電壓在溫度梯度上的變化率，與電池 SOC緊密相關(guān)，可表示為dU/dT(SOC)，根據(jù)溫度、電流、SOC的參數(shù)變化通過實驗測試求取。通過多項式響應(yīng)面模型對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，擬合曲線如圖2所示。電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻與電池的 SOC、T、I緊密相關(guān)，可表示為r o (T,I,SOC)，r j (T,I,SOC)?？赏ㄟ^HPPC實驗獲取電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。HPPC是對電池進行10s脈沖放電，電池的電壓會發(fā)生階躍變化。開始放電時，電池電壓由圖3中的U1快速降到U2，這一部分是由電池的歐姆內(nèi)阻引起的。然后電池電壓緩慢下降，這一部分則是由電池的極化內(nèi)阻引起的。因此，電池的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻可分別表示在恒定放電電流及溫度條件下，對電池進行 10s脈沖放電，求取該狀態(tài)下的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。對電池進一步放電到達下一個SOC，即又得到此狀態(tài)下的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，實驗如圖4所示。本實驗涉及的環(huán)境溫度包含 5、10、25、30、40℃，放電電流包括8、25、50、75、100A，SOC為1、0.9、0.7、0.5、0.3、0.1，包括了5個溫度維度、5個放電電流及6個SOC點，數(shù)據(jù)點較為完善，便于后續(xù)產(chǎn)熱模型的建立。采用 Python多項式回歸，使用Numpy程序庫，結(jié)合機器學(xué)習的Sklearn模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理過程。歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻模型的均方誤差分別為0.00192、0.0959。多項式回歸具體流程如圖5所示。根據(jù)傳熱學(xué)知識并結(jié)合電池單體產(chǎn)熱建立單體的仿真模型式中，ρ 為電池的密度；λ為電池導(dǎo)熱系數(shù)。對不同工況下的電池單體進行仿真計算，溫度 分布如圖 6所示。圖 6分別表示環(huán)境溫度為17、27、37℃時，以50、75、100A電流放電情況下的溫度分布云圖，其中左側(cè)為正極耳，右側(cè)為負極耳?？梢砸姷茫姵卦诜烹娺^程中溫度分布存在明顯差異。電池單體總體呈現(xiàn)由上到下，由左到右溫度逐漸降低的趨勢，這是因為電池在放電過程中，正負極耳發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，極耳附近會成為電流集中區(qū) 域，又由于正極耳主要由鋁箔構(gòu)成，導(dǎo)熱性能明顯低于銅箔制成的負極耳，所以靠近電池正極耳部分的溫度表現(xiàn)高于其他部分。而同樣的環(huán)境溫度下， 隨著放電電流的變大，電池單體的整體溫度會有所上升；同樣的放電電流下，隨著環(huán)境溫度的上升，電池單體的整體溫度也明顯上升。若要證明此仿真模型的準確性，必然需要通過電池單體放電的溫升實驗驗證。為了減少環(huán)境不穩(wěn)定因素對電池溫升的影響，本實驗在電池單體外部包裹了 3mm厚度的保溫層，如圖7(a)所示。因為 電池表面溫度的分布特性，需要在表面布置多個溫度測點，選取如圖 8所示的溫度測點。將充放電儀與電池正負極相連，對應(yīng)位置布置測溫熱電偶，電池單體的溫升實驗如圖7(b)所示。分別采用50、75、100A三個電流對電池進行放電，環(huán)境溫度選取17、27以及37℃。通過實驗數(shù)據(jù)整理，和對應(yīng)的放電電流及環(huán)境溫度下的仿真結(jié)果相對比，可以得到圖 9結(jié)果，并分析其溫度誤差如圖10所示。綜上可知，仿真模型與實驗的吻合度較好，整個電池單體的溫度變化趨勢與實驗基本一致?？傮w上電池單體的溫度隨著環(huán)境溫度及放電電流倍率的升高而升高，最高溫度為 37℃環(huán)境下100A放電 工況，約 42.8℃。在溫度較低及放電電流較小的情況下吻合度更高，即放電電流為50A時，溫度誤差均小于0.5℃；當放電電流達到75A時，溫度 誤差小于 0.7℃；而隨著放電電流的增大，當放電 電流達到 100A時，溫度誤差也僅僅1.2℃。經(jīng)過 實驗與仿真的相互驗證，可以證實本文中所建立的電池單體仿真模型具有較高的精確度。2.1電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計48V電池包由14塊電池單體串聯(lián)而成，由于 單體放電過程中，尤其是在環(huán)境溫度為 37℃下的100A放電工況，單體參考溫度已接近43℃。而本 文中所研究的軟包電池，在厚度方向?qū)崦娣e較大而導(dǎo)熱率小，而在其余方向的導(dǎo)熱率相對較大但接觸面積太小，以上原因均導(dǎo)致電池的產(chǎn)熱無法順利導(dǎo)出，極大地危害了電池的高效運行。其中涉及到的大倍率放電 (50、75、100A)工況在實際生活中也是極易出現(xiàn)的。為了增強電池單體厚度方向上的導(dǎo)熱效果，能夠快速導(dǎo)出電池包的產(chǎn)熱，加上考慮到熱管的結(jié)構(gòu)緊湊且導(dǎo)熱性能優(yōu)異，及石墨烯材料的高效導(dǎo)熱性能，本工作提出了大倍率放電工況下，結(jié)合熱管及石墨烯材料的48V電池包散熱結(jié)構(gòu)。采用13根3mm×8mm×270mm的燒結(jié)熱管 ， 其中熱管蒸發(fā)段長160mm，冷凝段長110mm，再結(jié)合3mm厚度的導(dǎo)熱硅膠，構(gòu)造同電池表面同等面積的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，并在兩側(cè)加上1mm厚度的石墨烯板，如圖11所示。將 14塊電池由前到后編號為1～14，并將其分為四個部分，在每個部分之間加入圖11熱管結(jié)構(gòu)，電池間使用厚度1mm的導(dǎo)熱硅膠墊片，減少空氣 造成的空氣熱阻，構(gòu)成如圖 12中展示的48V電池包散熱結(jié)構(gòu)，其中圖12(b)是在圖12(a)的基礎(chǔ)上在熱管冷端加上了厚度1mm的銅制翅片，增強熱管冷端的散熱。為了證實此方案的散熱效果，設(shè)置環(huán)境溫度 37℃下100A電流放電工況。對其進行仿真計算，以電池包內(nèi)每一塊電池單體為研究對象，探討在整 個大倍率放電過程中電池的表面溫度變化趨勢，電池單體的表面溫度均勻性，以及電池單體間的溫度均衡性。首先得到了電池包的溫度分布情況見圖 13(a)，電池單體的正極耳溫度明顯高于其他部分，與單體電池的溫度分布一致，由極耳的集流作用所致。熱管溫度由熱端到冷端[圖13(b)從左到右]逐漸降低，冷熱端最大溫度差約2.9℃，證實熱管能在較小溫差下實現(xiàn)熱量的高速傳導(dǎo)。圖13(c)為電池單體的溫度分布，由下到上依次為電池1～14。顯而易 見，在靠近熱管結(jié)構(gòu)的部分溫度相對較低，遠離熱管結(jié)構(gòu)的電池普遍溫度較高，溫度較高的是電池 2、3、12、13。進一步得到電池單體的表面溫度分布，如圖 14所示，總體呈現(xiàn)出靠近正極耳附近溫度更高，靠近熱管冷端部分溫度更低的分布趨勢。根據(jù)對整個仿真計算的溫度監(jiān)控，結(jié)合下圖的溫度分布云圖，選用電池13前表面上如圖8中的T1測點為最高溫度監(jiān)測點，以此作為整個電池包的最高溫度參考點。電池包最高溫度變化趨勢如圖15所示，放 電完畢時達到 44.2℃，滿足電池工作最佳溫度范圍25～45℃的要求。除此之外，電池的溫度分布均勻性也對電池的高效工作有著至關(guān)重要的影響，普遍要求電池單體的表面溫度差小于 2℃。對整個放電過程中的每一塊電池單體表面進行了溫度均勻性分析，即定義電池單體的表面溫度最大溫差 ?T=T(最高)-T(最低)。具體數(shù)值如圖16所示，可見最大溫差僅1.4℃，滿足電池正常工作的表面溫度差要求。電池單體的溫度及溫度均勻性均滿足電池正常運行要求，接下來需要考慮電池包內(nèi)不同電池單體間的溫度均衡性。此時采用單體電池的平均溫度為參考，監(jiān)測電池包在放電過程中電池單體間的溫度差異性，具體的溫升情況及溫度差值如圖 17所示。與電池單體的溫升表現(xiàn)一致，其中電池2、3、12、13的平均溫度最高，電池1及14的平均溫度最低， 而單體間的最大溫差在放電結(jié)束時達到 1.8℃，也 滿足電池單體溫度均衡性 (溫差小于2℃)的要求。在環(huán)境溫度 37℃下進行100A放電的工況下，電池包內(nèi)每一塊電池的最高溫度及最大溫差均能滿足其正常工作的最佳溫度要求，原則上無需再考慮27℃及17℃環(huán)境溫度下的放電溫升情況。但是為了直觀顯示不同放電倍率下電池的溫升變化趨勢，探討整個電池包在不同環(huán)境溫度下的溫升特性，依然對多個工況進行電池包的仿真計算。結(jié)合電池單 體實驗工況，設(shè)置環(huán)境溫度為 37、27、17℃，放電電流為100、75、50A。以電池包的平均溫度及最高溫度為溫度參考點，得到如圖18結(jié)果。由結(jié)果分析電池包平均溫度及最高溫度與單體溫升趨勢一致，隨著環(huán)境溫度及放電倍率的升高而升高，且電池包內(nèi)呈現(xiàn)的最高溫度均滿足電池的最佳工作溫度范圍。在環(huán)境溫度 17℃的情況下，100A放電時電池包最高溫度上升約9.9℃；當溫度上升到27℃，100A放電時電池包最高溫度上升約8.7℃；當溫度再次上升到37℃，100A放電時電池包最高溫度上升約7.3℃。同樣的放電倍率下，隨著環(huán)境溫度的升高，溫升在逐步變緩，體現(xiàn)為溫升曲線的斜率逐漸變小?？梢砸姷?，隨著環(huán)境溫度的上升，本電池包散熱結(jié)構(gòu)逐步 體現(xiàn)出優(yōu)勢， 能逐漸縮小整個電池包的溫升幅度，能夠有效控制 較高環(huán)境溫度及較高放電倍率工況下的電池溫度。本文通過仿真結(jié)合實驗的方式得到較為準確的軟包電池單體產(chǎn)熱模型。由軟包電池的物理特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，電池單體的導(dǎo)熱各向異性較為突出，電池在厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)較小，很難導(dǎo)出電池產(chǎn)熱。因此，在此基礎(chǔ)上結(jié)合熱管構(gòu)造了 48V電池包散熱結(jié)構(gòu)，能快速且安全導(dǎo)出熱量，而加入石墨烯材料更能高效的平衡溫差，使得電池包能夠在最佳的溫度條件下工作。通過不同環(huán)境溫度及放電倍率下的仿真計算，驗證本結(jié)構(gòu)的散熱效果。本文主要的結(jié)論如下。（ 1）基于電池的參數(shù)測試實驗，采用Python多項式回歸，構(gòu)建較為準確的電池單體產(chǎn)熱模型。在較小溫度及較小放電倍率的情況下，仿真與實驗結(jié)果擬合較好，溫度誤差均小于0.7℃；而最大誤 差出現(xiàn)在環(huán)境溫度 37℃下100A放電工況，誤差 約為 1.2℃。（ 2）根據(jù)軟包電池導(dǎo)熱各向異性較為突出的特點，結(jié)合熱管及石墨烯材料設(shè)計了電池包散熱結(jié)構(gòu)。在較高環(huán)境溫度及高倍率放電情況下均能滿足電池最佳工作溫度范圍及溫差要求，最高溫度出現(xiàn)在37℃下100A放電工況，電池的最高溫度為44.2℃，單體表面最大溫差約1.4℃，而電池包內(nèi)不同電池單體間最大溫差約1.8℃。
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