锂离子电芯传热行为与热管理设计
摘要：锂离子电池热管理设计大多从电池封装层面考虑热管理与电池系统的结合，容易忽略对电芯本身传热行为和电芯级热管理设计的细节研究。为此，研究方形锂离子电芯传热行为和影响电芯传热的关键参数，建立方形锂离子电芯传热数学模型，通过不同传热位置、传热面的对比计算进行测试验证，确定方形锂离子电芯最佳的热管理设计传热位置。研究结果可为锂离子电池热管理系统优化设计提供参考。
关键词：锂离子电池 电芯 热模型 热管理
0 前言
发展新能源汽车是我国由汽车大国迈向汽车 强国的必由之路，但随着我国新能源汽车销量和保有量的增加，新能源汽车起火事故也时有发生。 热管理系统设计是制约新能源汽车发展的瓶颈问题，设计稳定、高效的热管理系统对于提高新能源汽车的安全性具有重大意义。
锂离子电池热建模是锂离子电池热管理的基础。其中，传热特性建模和产热特性建模是锂离子电池热建模的 2 个重要方面 。在现有电池传热特性建模的研究中，锂离子电池被认为具有各向异性的导热特性 。因此，研究锂离子电池不同传热位置和传热面对电池散热导热性能的影响，对设计高效、可靠的锂离子电池热管理系统具有十分重要的意义。
1 电芯等效导热模型
采用磷酸铁锂电池 50 A·h 款电芯作为研究对 象，对其传热行为特性进行详细分析，提出新的热管理设计思路。电芯外形如图 1 所示，具体尺寸参数见表 1。锂离子电池结构一般包括正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、正温度系数（PTC）热敏电阻和电池壳。 正极和负极极片间夹着隔膜，通过卷绕形成电芯或层叠形成极群。将多层电芯结构简化为尺寸一致的电芯材料，对电芯热物理参数进行等效处理，如图 2 所示。电池单体电芯材料假设为具有各项异性导热系数特性的长方体单元，设垂直于层叠方向的导热系数（λz ）小于平行于层叠方向的导热系数（λ x、λ y ）。
图 1 电芯外形示意图
表 1 电芯尺寸参数
图 2 多层电芯结构简化为等效电芯模型
2 电芯面散热能力
电芯导热系数测试结果见表 2。使用该电芯进行电池包系统集成时，电芯热管理设计的散热面包括除极耳面之外的另外 5 个外表面，对其进行散热能力评估和计算，确定电芯在假设负载发热时，热量的散热路径。
本文旨在研究电池包集成时热管理电芯级传热的最佳方式，因此，将电芯 5 个散热面分为 3 组， 对应电芯与系统热管理结构贴合的 3 种不同选择， 如图 3 所示。
图 3 电芯主要散热面标记
如果选择正面传热，即通过电芯最大的正面和背面传热，热量从电芯内部通过 λz 导热系数的路径将电芯生成的热量通过电芯表面传出；如果选择侧面传热，热量从电芯内部通过 λ y 导热系数的路径将电芯生成的热量通过电芯表面传出；如果选择底面传热，热量从电芯内部通过 λ x 导热系数的路径将电芯生成的热量通过电芯表面传出。
热管理设计最优选择是系统液冷板或者风道能够接触到电芯散热能力最强的表面。目前系统设计多从有利于系统集成的角度设计液冷板位置或者风道流向，忽略了电芯各表面传热能力的系统评估。在外界环境参数一致的假设下，选择不同电芯表面作为散热面，即选择不同导热系数、散热面积和散热路径。散热面关键参数如图 4 所示，电芯散热路径如图 5 所示。
5 电芯散热路径
电 池 通 过 6 个表面与外界进行换热 ，假设每个表面的导热系数（h）相等 ，则传热的平衡方式为：
式中x、y、z 为 3 个坐标轴方向；T 为温度；Twx、Twy、 Twz 分别为 x、y、z 方向的散热面温度 ；T∝ 为环境温度。
当设计电芯热管理系统时，需要评估热管理结构与电芯表面接触效果。计算电芯每个表面的热流量，极耳面可以忽略。对于电芯的传热研究分 析，假设为稳态条件和线性温度分布时，沿坐标轴热平衡（以 z 方向为例）公式为：
式中：T2为传热路径低温温度；T1为传热路径高温温度；L 为传热路径距离。
热流密度 qz '' 为：
式中：k 为热导率；ΔT 为传输方向温度梯度。 通过散热面的热流量 qz计算式可简化为：
式中：AS为散热面面积。
基于以上分析，ΔT 为 1 K 时，计算电池各散热面的热流量，结果见表 3。
由表 3 可以看出：当 ΔT 为 1 K 时，如果 A1 和 A2 作为主要散热面，热流量为 3.39 W；如果 A3 和 A4 作为主要散热面，热流量为 4.68 W；如果 A5 作为主要散热面，热流量为 0.78 W。因此，以热流量来衡量，电池侧面（A3、A4）是最佳位置，电池底面 （A5）是最差位置。
对电芯外部环境绝热时，计算电芯温升并进行仿真计算对比，作为电芯热管理设计的基础数据， 电芯材料数据见表 4。
表 4 电芯材料参数
取该电芯 1 C 充放电为研究工况，充电或者放电时间为 3600 s，电芯内部生热速率为 6.4 W，电芯和铝外壳的总质量为 1.43 kg，将其作为整体考虑时，比热容为 1026.3 J/（kg·K）。
假设环境温度为 295 K，且电芯保持不向周边环境散热时，电芯温升为 15.7 K，电芯在工况完成时，电芯温度为 310.7 K。
按照以上材料性质和生热过程设置仿真边界条件，电芯温升的有限元分析（FEA）仿真结果如图 6 所示。计算结果与 FEA 仿真结果的对比如图 7 所示。由图 6、图 7 可以看出：电芯温度场分布为 310.72~310.95 K，与计算结果一致，证明电芯 FEA 数学建模准确可靠，FEA 结果能够有效验证电芯的传热行为。
图 6 电芯温度场 FEA 仿真
图 7 电芯温升计算结果与 FEA 仿真结果对比
3 计算与仿真对比
考虑方形锂离子电芯的模组集成方式，目前已有的模组结构热管理接触面选择设计包括电池底面（A5）传热方案、电池侧面（A3+A4）传热方案， 未发现有置于电池正面和背面（A1+A2）的方案设计 。在相同外部环境和电芯生热速率载荷下，本文假设相同导热系数时，选择电池底面传热方案或电池侧面传热方案，比较电芯的温差及温升结果。
假设环境温度为 295 K，电芯生热速率为 6.4 W， 其他物性参数不做调整，选择电池底面作为电芯热管理接触面。
已知 A5 面积为 4 028.8 mm2 ，当温差为 1 K 时， 由电芯传至 A5 散热面的热流量为 0.78 W；在假设 条件 1 C 倍率充放电时，平均生热速率为 6.4 W；按照温升 15.7 K 计算，考虑完成充电或者放电过程， A5 散热面的平均热流量为 6.12 W，即电芯热量无法有效传递到 A5 散热面。此时，电芯本体成为散热能力的短板，通过 A5 散热面设计高效的传热结构也无法提升电芯本身的低散热效率。
假设环境温度为 295 K，电芯生热速率为 6.4 W， 其他物性参数同前章节，选择电池侧面作为电芯热管理接触面。
选择双面方案时，散热面积为 10 577 mm2 ；选 择单面方案时，散热面积为 5 288.5 mm2 。按照电池底面传热方案相同的评估方式，1 C 充放电时，选择双面方案，能够传递至散热面的最大热流量能够达到 36.7 W；选择单面方案，能够传递至散热面的最大热流量能够达到 18.35 W，均优于电池底面传热方案。这说明只要散热面的散热能力足够，可以保证电芯热量被迅速由电芯—散热面—散热结构的路径带走。对于方形锂离子电芯来说，选择电池侧面作为散热面更加合理，且双面方案在减小电芯本体温差方面会有更优表现。
采用数值计算软件对方形锂离子电芯不同散热面进行同热源参数计算，以验证电池底面传热方案和电池侧面传热方案的散热效果。环境温度为 295 K，电芯生热速率为 6.4 W，其他物性参数同前章节。假设电池底面传热方案和电池侧面传热方案散热面导热能力保持一致，即采用相同的外部导热方案并采用相同的界面导热处理方式。
2 个传热方案的电芯温度场分布如图 8 所示， 电芯温升曲线如图 9 所示。由图 8、图 9 可以看出：1 C 充放电工况下，电池底面传热方案中电芯最高温度升高至 300.62 K，最大温升为 5.62 K，最大温差为 3.1 K；1 C 充放电工况下，电池侧面传热方案中电芯最高温度升高至 296.92 K，最大温升为 1.92 K， 最大温差为 0.97 K。
图 8 电芯温度场分布
图 9 电芯温升曲线
对比 2 个方案的数值计算结果，可以得出：
（1）选择电池侧面作为电芯散热面，电芯最大温升和最大温差都可以得到改善。
（2）比较温升曲线的末端斜率可以看出，电池底面传热方案的温升曲线随着工况时间加长，电芯最高温度会继续增加（如充放电循环），而电池侧面传热方案温升曲线末端接近平衡，即随着工况时间加长，温升和温差无明显变化。
综上所述，对电芯进行热管理散热位置选择时，电池侧面传热方案优于电池底面传热方案。
4 结论
本文通过数值模拟和公式计算方式，验证了锂离子电芯在进行热管理设计时，需要评估热管理散热位置的散热能力，以确定最佳散热面；需要进一步确定影响散热能力的关键参数，如电池尺寸、生热速率、散热流量及导热路径距离。从电芯层面分析传热行为与传热特性，能够有效解决目前电池封装系统热管理时，忽略电芯传热能力、重视系统集成工艺所带来的系统级热管理设计不够精确和细致的问题，为高效的电池封装热管理系统提供新的思路和方法。通过对方形锂离子电芯散热行为及散热机理的研究，得出以下结论：
（1）锂离子电芯热管理方案散热能力会受垂直于散热面的导热系数、热源中心与散热面的路径距离、热管理方案散热面尺寸和散热面与周围环境温差 4 个参数影响。
（2）进行锂离子电芯热管理设计散热面选择时，所选择研究对象的侧面传热方案优于底面传热方案，但对于不同尺寸方形电芯，需要计算不同散热面的散热能力，才能确定最好的散热位置。
（3）采用公式计算评估散热能力，以数值模拟进行验证，结果完全吻合，表明该计算方式是有效的，在进行方形电芯热管理设计时可参考使用。
5 展望
本文仅从电芯热管理研究了电芯传热机理与传热行为特点，忽略电芯传热与周围散热界面的热阻；而电芯最终的传热表现除了受电芯本身影响外，还会受到与其配合的周围载体所导致的热阻影响，电芯到模组到系统的热表现会由最大界面热阻决定。因此，未来可以从以下 5 个方面进一步对电芯传热行为和传热机理进行深入研究：
（1）电芯与周围构件接触面的热阻计算和评估，并研究其对电芯最终热表现影响。
（2）电芯到模组的集成过程，会设计绝缘层、 导热胶、导热垫等多层材料，在电芯热管理设计时， 需要建立更加完善的多参数热学模型，将电芯与其他构件的热学特性联合分析。
（3）方形电芯尺寸不同时，采用更多尺寸电芯型号进行传热行为分析，总结传热规律和特点。
（4）建立电芯传热行为试验，采集不同电芯不同位置的温度曲线，完善电芯热管理研究方法，通过试验数据表现进一步修正电芯传热行为与传热机理理论。
（5）结合电芯到模组到系统集成时的工艺参数、装配参数及系统级热管理设计特点，结合新材料、新工艺对电芯级热管理方案进一步优化设计， 有效指导和设计高效锂离子电池系统热管理方案。
来源：汽车与新动力
作者：刘军涛
南京航空航天大学 能源与动力学院
