文章來(lái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；3重慶大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院 電池的熱管理大致分為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻以及熱管冷卻，熱管因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特性，越來(lái)越受到人們的青睞。
文章來(lái)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2重慶大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院；3重慶大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院電池的熱管理大致分為風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻以及熱管冷卻，熱管因?yàn)槠鋵?dǎo)熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特性，越來(lái)越受到人們的青睞。
前人對(duì)電池單體的熱管理研究很多，而針對(duì)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，在電池厚度方向的導(dǎo)熱系數(shù)只有其他兩個(gè)方向的 1/44，這也是對(duì)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(guò)程中的溫度要求，是目前的研究重點(diǎn)。本文選擇 A123-8Ah為研究對(duì)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(shí)物如圖1所示。鋰離子電池的工作時(shí)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(jī)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?zé)崞胶夥匠倘缡?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(kāi)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(shí)間。而式 (1)中各項(xiàng)可按照性質(zhì)分為可逆熱I(V-U)和不可逆熱ITdU/dT，這兩項(xiàng)組合就是電池產(chǎn)熱q，即要解決電池的工作電壓與開(kāi)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(guò)電池的內(nèi)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲取。可以將電池的產(chǎn)熱表達(dá)為式中， r 0 是歐姆內(nèi)阻；r j 是極化內(nèi)阻；dU/dT稱(chēng)為電動(dòng)勢(shì)溫升系數(shù)。要得到完整的電池產(chǎn)熱模型，需要完成電動(dòng)勢(shì)溫升系數(shù)及電池內(nèi)阻測(cè)試實(shí)驗(yàn) 。通過(guò)恒溫箱控制電池所處的環(huán)境溫度，充放電儀對(duì)電池進(jìn)行充放電操作，采用K型熱電偶進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的采集，溫度誤差約0.04%。1.1電動(dòng)勢(shì)溫升系數(shù)測(cè)試電動(dòng)勢(shì)溫升系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理較為簡(jiǎn)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(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試求取。通過(guò)多項(xiàng)式響應(yīng)面模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合曲線(xiàn)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^(guò)HPPC實(shí)驗(yàn)獲取電池的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。HPPC是對(duì)電池進(jìn)行10s脈沖放電，電池的電壓會(huì)發(fā)生階躍變化。開(kāi)始放電時(shí)，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(duì)電池進(jìn)行 10s脈沖放電，求取該狀態(tài)下的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。對(duì)電池進(jìn)一步放電到達(dá)下一個(gè)SOC，即又得到此狀態(tài)下的內(nèi)阻數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)如圖4所示。本實(shí)驗(yàn)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(gè)溫度維度、5個(gè)放電電流及6個(gè)SOC點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)較為完善，便于后續(xù)產(chǎn)熱模型的建立。采用 Python多項(xiàng)式回歸，使用Numpy程序庫(kù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的Sklearn模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理過(guò)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(xiàng)式回歸具體流程如圖5所示。根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)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(duì)不同工況下的電池單體進(jìn)行仿真計(jì)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(shí)，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(fù)極耳?？梢砸?jiàn)得，電池在放電過(guò)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(shì)，這是因?yàn)殡姵卦诜烹娺^(guò)程中，正負(fù)極耳發(fā)生不同的化學(xué)反應(yīng)，極耳附近會(huì)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(fù)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(huì)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(zhǔn)確性，必然需要通過(guò)電池單體放電的溫升實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了減少環(huán)境不穩(wěn)定因素對(duì)電池溫升的影響，本實(shí)驗(yàn)在電池單體外部包裹了 3mm厚度的保溫層，如圖7(a)所示。因?yàn)?nbsp;電池表面溫度的分布特性，需要在表面布置多個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，選取如圖 8所示的溫度測(cè)點(diǎn)。將充放電儀與電池正負(fù)極相連，對(duì)應(yīng)位置布置測(cè)溫?zé)犭娕迹姵貑误w的溫升實(shí)驗(yàn)如圖7(b)所示。分別采用50、75、100A三個(gè)電流對(duì)電池進(jìn)行放電，環(huán)境溫度選取17、27以及37℃。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，和對(duì)應(yīng)的放電電流及環(huán)境溫度下的仿真結(jié)果相對(duì)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(shí)驗(yàn)的吻合度較好，整個(gè)電池單體的溫度變化趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)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(shí)，溫度誤差均小于0.5℃；當(dāng)放電電流達(dá)到75A時(shí)，溫度 誤差小于 0.7℃；而隨著放電電流的增大，當(dāng)放電 電流達(dá)到 100A時(shí)，溫度誤差也僅僅1.2℃。經(jīng)過(guò) 實(shí)驗(yàn)與仿真的相互驗(yàn)證，可以證實(shí)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(jì)48V電池包由14塊電池單體串聯(lián)而成，由于 單體放電過(guò)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(duì)較大但接觸面積太小，以上原因均導(dǎo)致電池的產(chǎn)熱無(wú)法順利導(dǎo)出，極大地危害了電池的高效運(yùn)行。其中涉及到的大倍率放電 (50、75、100A)工況在實(shí)際生活中也是極易出現(xiàn)的。為了增強(qiáng)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(zhǎng)160mm，冷凝段長(zhǎng)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(hào)為1～14，并將其分為四個(gè)部分，在每個(gè)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(qiáng)熱管冷端的散熱。為了證實(shí)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(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，以電池包內(nèi)每一塊電池單體為研究對(duì)象，探討在整 個(gè)大倍率放電過(guò)程中電池的表面溫度變化趨勢(shì)，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(jiàn)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(shí)熱管能在較小溫差下實(shí)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(jiàn)，在靠近熱管結(jié)構(gòu)的部分溫度相對(duì)較低，遠(yuǎn)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(jìn)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(shì)。根據(jù)對(duì)整個(gè)仿真計(jì)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(cè)點(diǎn)為最高溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以此作為整個(gè)電池包的最高溫度參考點(diǎn)。電池包最高溫度變化趨勢(shì)如圖15所示，放 電完畢時(shí)達(dá)到 44.2℃，滿(mǎn)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(duì)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(duì)整個(gè)放電過(guò)程中的每一塊電池單體表面進(jìn)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(jiàn)最大溫差僅1.4℃，滿(mǎn)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(mǎn)足電池正常運(yùn)行要求，接下來(lái)需要考慮電池包內(nèi)不同電池單體間的溫度均衡性。此時(shí)采用單體電池的平均溫度為參考，監(jiān)測(cè)電池包在放電過(guò)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(shí)達(dá)到 1.8℃，也 滿(mǎn)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(jìn)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(mǎn)足其正常工作的最佳溫度要求，原則上無(wú)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(shì)，探討整個(gè)電池包在不同環(huán)境溫度下的溫升特性，依然對(duì)多個(gè)工況進(jìn)行電池包的仿真計(jì)算。結(jié)合電池單 體實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(shì)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(mǎn)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(shí)電池包最高溫度上升約9.9℃；當(dāng)溫度上升到27℃，100A放電時(shí)電池包最高溫度上升約8.7℃；當(dāng)溫度再次上升到37℃，100A放電時(shí)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(xiàn)的斜率逐漸變小?？梢砸?jiàn)得，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(shì)， 能逐漸縮小整個(gè)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(guò)仿真結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方式得到較為準(zhǔn)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(diǎn)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(guò)不同環(huán)境溫度及放電倍率下的仿真計(jì)算，驗(yàn)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(cè)試實(shí)驗(yàn)，采用Python多項(xiàng)式回歸，構(gòu)建較為準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，結(jié)合熱管及石墨烯材料設(shè)計(jì)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(mǎn)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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