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电动汽车锂电池的热管理
G.Karimi and X.Li
(加拿大安大略省滑铁卢市滑铁卢大学机械工程学院)
摘要
电动汽车电池包的热问题显著影响其性能和循环寿命。商用锂离子电池的基本热传递原理和性能特性用于预测在一定范围的放电条件下典型电池组中的温度分布。实施各种冷却策略以检查电池热表现和设计参数之间的关系。通过研究冷却条件和电池包的结构对电池温度的影响，得到如何通过设计适当的电池包结构和选择适当的冷却系统来维持工作温度的信息。发现基于分布的强制对流的冷却策略是一种高效的，成本有效的方法，其可以在各种放电率下在电池组内提供均匀的温度和电压分布。
关键词：锂电池，热管理，数学模型，对流冷却，放电
1 绪论
由于动力电池电动汽车在能源消耗和空气质量的好处，先进的可再充电的电动汽车电池的开发已成为世界上深入研究的主题[1][1]。锂离子电池已被美国先进电池联盟考虑为最有前景长期先进电池技术之一[2][2]。和其他可再充电的电池对比，锂离子电池在容量，功率密度和能量密度，充电记忆性，循环寿命和竞争成本方面具有更好的性能。然而，目前锂离子电池在小型电池是唯一商业利用价值的电池。现在，大数量的电池被组装成串联或并联结构电池包来达到车辆推进系统的功率要求。
一辆电动汽车的性能很大程度上取决于它的电池包性能。在锂电池高功率放电条件下，产生相当数量的热量会缩短电池寿命和造成安全危害。这对制造电动汽车高效率、高可靠性电池组形成了挑战。为了达到电池包的最佳性能，一个热管理系统的要求符合：（Ⅰ）能够调节电池在理想的温度范围内工作；（Ⅱ）能够减少温度分布的不均匀性。为了量化温度对电池性能以及因此对电动车辆的性能的影响，需要依赖于温度的电池性能模型。这些数据然后用来设计电池热管理系统。
大型电池热传输的数学仿真是一个获得在电池放电期间产生的过量热量可以被移除和工作温度如何被控制的有效工具。近年来对锂离子电池组的热管理研究很少。Chen和Evans[3][3]首先开发了一种二维模型来研究各种电池组件，堆叠尺寸和冷却条件对不同放电倍率下锂聚合物电解质电池性能的影响。基于获得的温度曲线，他们提供了有用的见解，例如如何通过设计适当的电池堆和从传热角度选择适当的冷却/绝缘系统来保持工作温度。Al-Hallaj et al[4][4]研究了使用电化学热量法的商业圆柱形和棱柱形锂离子电池的热行为。他们测量电池放电期间的电池热产生和电池充电期间的热消耗，其显着依赖于由于浓度极化而导致的放电结束时的荷电状态（SOC）。Maleki和Shamsuri[5][5]在数值上评估了笔记本电脑锂离子电池组在各种工作条件下的热性能。他们发现，充电期间的电池温度升高主要由控制电子器件的功率耗散和在放电期间由锂离子电池的散热。Mills和Al-Hallaj[6][6]为锂离子笔记本电池组设计和模拟了一种带有石墨浸渍相变材料（PCM）的被动热管理系统。在各种SOC条件下实验测量商业18650,2.2A锂离子电池的发热率。Kizilelet al.[7][7]证明了使用PCM热管理系统的的优点优于传统的主动冷却系统的锂离子电池组。他们表明，具有PCM的高能量包在高电流下安全地放电，并且锂离子包装的容量的降解速率降低一半。他们还报告说，电池组的能量密度将随着PCM的应用而增加。后来，Sabbah et al.[8][8]和Kizilel et al.[9][9]比较了PCM的被动冷却与用于大功率锂离子电池组的热管理的主动（强制空气）冷却的有效性。在不同的放电率，工作温度和环境温度下进行数值模拟，并与实验结果进行比较。结果表明，在高放电率和/或在高工作或环境温度下，空气冷却不是适当的热管理系统，以将电池的温度保持在期望的工作范围内，而不消耗显着的风扇功率。
Inui et al.[10][10]开发了圆柱形和棱柱形锂离子电池中的在放电循环期间温度分布的瞬态响应的二维和三维模拟代码。圆柱形电池的数值结果与实验数据具有很好的一致性。他们的结果表明，与具有正方形横截面的电池相比，具有层叠横截面的电池对抑制温度上升具有显着的效果。Fang等人[11][11]使用电化学-热耦合模型来预测锂离子电池及其各个电极在各种操作温度下的性能。他们针对恒定电流和脉冲条件的实验数据验证了该模型，这是混合电动（HE）车辆应用的特征。预测个体电极电位与三极电池实验数据相比具有良好的一致性。Duan和Naterer[12][12]研究了使用PCM的电池模块的实验热管理。他们研究了在可变模拟电池放电条件和可变环境温度下PCM热管理的有效性，以及PCM熔化期间浮力的影响。圆柱形LiFePO4 /石墨锂离子电池的集总参数热模型由Forgeza等[13][13]人开发。不同大小的电流脉冲被施加到电池以通过实验确定热传递系数和热容量。此外，从稳态温度测量确定电池热阻。 他们的模型能够直接从电池的测量电流和电压模拟内部温度。Smith等人[14][14]开发了商用18-650尺寸锂离子电池的耦合热/电模型和具有16个电池并联的模块。使用等效电路和热路线对电气和热响应进行建模，然后将其集成到模块级模型中。模块级模型通过实验进行验证，并在参数研究中用于评估电池热安全裕度。
电池热管理系统的目标是确保电池在最佳平均温度下工作，在电池单元，模块之间以及在由电池制造商标识的封装内仅有小的温度和电压变化。在本工作中，热管理系统设计参数对电池热表现和性能的影响的进一步研究已经为在电动车辆中使用的平面电池组进行了。为了评估电池组设计并提供电池热问题的解决方案，我们已经使用热传递原理来获得关于从热传递角度优化电池结构的基本思想。诸如主动冷却与被动冷却的主题; 液体冷却与空气冷却和PCM的应用。
2 模型的发展
锂离子电池制造成许多不同的形状和配置，例如，圆柱形，硬币，棱柱形（矩形）和薄和平坦。尽管所有四种电池配置都适用于便携式和低功率需求的电子应用，但棱形和扁平型电池似乎是HE，HE（PHE）插头或插入电动车辆应用的首选电源。在这项工作中，组合的薄膜型电池被考虑用于分析。
如图1所示，电动车辆电池由一个或多个多电池组构成，并且电池组由串联和/或并联连接的多个电池单元组成。包括电池单元的单元电池的数量和电池组。
内的电池单元的数量由期望的电池容量和电压确定。这种设计被认为适合于牵引电池应用并且表现出高的特定能量。
如图1所示，典型的锂离子电池由安装在铜箔上的由粉末状石墨或某些其它碳的薄层形成的负极和由薄层粉末金属氧化物（例如LiCoO2）。两个电极通过多孔塑料膜分离，通常浸泡在溶解在有机溶剂如碳酸亚乙酯，碳酸甲乙酯或碳酸二乙酯的混合物中的LiPF 6中[15][15]。堆叠的电池通常通过来自电池容器的压力保持在一起。
图1. 锂电池及其组件的细节示意图
在充电/放电过程中，锂离子从活性材料内的原子层之间的间隙空间嵌入或脱出。化学反应表示为
正极反应 （1）
负极反应 （2）
总反应 （3）
在这些化学式中，反应在放电期间从左侧进行到右侧，在充电循环期间反向进行。
2.1热量的产生
来自电池组在负载下的总发热率的大小决定了冷却系统的尺寸和设计。在电池单元中，通过（Ⅰ）来自电化学反应的熵变和（Ⅱ）由通过内部电阻的电流转移引起的焦耳效应（或欧姆加热）而产生热。电池中的发热率可以从[3]：
(4)
其中q是热生成速率，I是电流（Igt; 0用于放电，I lt;0用于充电），Eoc是平衡电池电压或开路电位，V是电池电压，T是温度，dEoc / dT是温度系数。第一项I（Eoc-V）是由电池中存在的欧姆电阻和其他内部电阻产生的热量，第二项-IT[dEoc/dT]是热产生的，因为可逆熵变产生的热产生电池电化学反应。
不同种类的锂离子电池具有不同的内部电阻和熵变值。热管理策略要求准确地确定这些数据。由于内部电阻取决于电池的温度和SOC，因此应在各种电池工作条件下测量。根据作者的知识，电动车中使用的电池型电池的等效内阻是专有的，不可用在开放的文学。 然而，对于市场上可买到的小型锂离子电池[10,13]，该结构的测量结果与电池的结构非常相似。在本研究中，实验测得的圆柱形SONY-US18650 [10]作为SOC和温度的函数用于分析。 这些实验数据是对数值实现的曲线拟合，如下：
℃
℃ （5）
℃
其中R i是电池内部等效电阻（Omega;·cm 3）。此外，熵变Delta;S通过根据热动力学理论测量电池开路电压对不同SOC的温度的依赖性而获得[10]：
(6)
实验结果表明，在20℃至40℃的温度范围内，Delta;S几乎与温度无关，并且其随SOC的变化近似地遵循以下方程组：
(7)
考虑到这些，方程4可以被修改，并且在放电过程中的锂离子电池的发电区域内产生的热量的速率可以表示为：
(8)
其中q是每单位体积内部发热的速率，R1是内部等效电阻，i是每单位体积的放电电流，n是参与反应的电子数（n = 1）。
2.2 温度分布
由于薄膜电池设计，不同层的极大不同的热性能可能对电池内的热传递行为具有显着影响。在本工作中，开发了具有不同层的异质热物理性质的电池组的瞬态二维热模型。该模型可用于评估用于电池组的最佳操作的各种热管理方法的有效性。
电池组中的电池单元的每一层中的温度分布由下式决定
（9）
其中x和y表示空间方向，k是热导率，a是热扩散率
(10)
这已经通过实验确定[10]。方程9受初始和边界条件的制约。假设所有电池组件都处于初始温度T i
at ，all x，y （11）
进一步假设主动/被动冷却介质被应用在电池组中的关键位置以管理温度分布。对于图1所示的典型电池组，应用以下边界条件
at and
at and (12)
可以写出类似的方程以解释由于电池组经由电池组容器暴露于环境的外部加热和/或冷却效应。总的传热系数Un，Us，Ue和Uw分别表示北，南，东和西侧的等效热阻（组合传导和对流），如图1所示。在方程12中，L1和L2热管理介质的空间位置，其通常可以是空气或介电液体，或静态PCM。方程12表示在冷却介质上的电池表面上的导电热流。 h1和h2
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