方形LPF動力電池在內短路下的熱效應分析

金 標， 劉 偉， 彭 敏， 劉方方

(1.廣東科技學院，廣東東莞523000；2.東風商用車有限公司東風商用車技術中心商品開發部，湖北武漢430056)

方形LPF動力電池在內短路下的熱效應分析

金 標1， 劉 偉2， 彭 敏2， 劉方方1

(1.廣東科技學院，廣東東莞523000；2.東風商用車有限公司東風商用車技術中心商品開發部，湖北武漢430056)

為分析對流換熱系數、熱輻射、外殼厚度及導熱系數對磷酸鐵鋰(LPF)動力電池散熱能力的影響，以60 Ah方形LPF動力電池為研究對象，建立穿刺實驗情況下的電池生熱模型，確定模型中的有關參數，建立有限元仿真模型并利用Ansys軟件定量地計算溫度場。結果表明：提高電池表面對流換熱系數和導熱系數，可顯著提高電池散熱能力，熱輻射和外殼厚度對電池散熱有影響，其中，外殼厚度如何影響電池內部溫度場需綜合其他因素分析。

熱效應；生熱模型；有限元法

穿刺實驗是模擬動力鋰電池被外物穿刺而引起其內部短路。當鋼釘刺入鋰電池內部時，即刻造成電池在穿刺點短路，瞬間產生很大電流，短路區由于大量的焦耳熱而形成局部熱區，會引發一系列正負極和電解液的反應，當熱區溫度超過臨界點時會引發熱失控，進而導致鋰電池起火、燃燒甚至爆炸。大功率動力鋰電池因內短路而引起的熱失控一直成為鋰電池熱安全最為關注的話題。

關于電池熱失控的研究主要集中在電池生熱模型的建立及溫度場分析。在電池熱效應研究方面具有典型代表意義的學者有Noboru Sato、D.Bernardi、美國可再生能源實驗室的Gi-heon kimKandler等。Noboru Sato[1]等從熱力學角度討論了氫鎳電池的熱效應，通過分析熱產生的因素來闡明放熱機理，給出了相應的數學計算公式。D.Bernardi[2]基于均一化假設建立了一種典型的生熱速率理論模型，認為電池生熱主要由電池內部化學反應可逆墑變和歐姆內阻產熱組成。Gi-Heon kim等建立了鋰電池內短路情況下的等效電阻模型及電化學-熱耦合模型，并通過試驗和有限元分析(FEA)方法對氫鎳動力電池進行溫度場分析。王峰、林成濤、李騰[3－5]等較為全面地介紹了國內外各種電池熱效應模型，并對鋰電池散熱影響因素進行了分析。張遙[6]等采用CFD-ACE+有限元分析軟件建立電化學-熱耦合模型，并分別用二維和三維模型對溫度場進行計算對比分析。王松蕊[7]等通過建立鋰電池熱失控模型，模擬計算環境溫度、電池參數、電池狀態等因素對鈷酸鋰電池熱行為的影響。

本文基于前人研究，借助有限元分析方法計算并分析LPF動力電池溫度場。研究內容包括生熱模型的建立、模型中的各參數的確定，熱仿真結果分析，為動力電池的溫升效應研究、散熱措施及熱安全設計提供定量依據。

1 電池結構

本文以某公司設計的60 Ah方形LPF動力電池為研究對象，該電池結構示意簡圖如圖1所示。該電池結構主要由外殼、正負極柱、正負極極耳和電芯內核(多物質材料)組成。圖1中，1-2-3-4為穿釘中心截面，m-n為中心截面上穿刺點中心線。該電池外形幾何尺寸：133mm×29mm×212mm，內核幾何尺寸：132mm×28mm×192mm，鋼殼厚度：0.5mm，穿釘處鋼釘體積：1 792mm3，內核平均密度2 570 kg/m3。

圖1 LPF動力電池結構示意簡圖

2 電池熱效應模型的建立及物性參數的確定

2.1 電池熱效應數學模型的建立

電池實際生熱情況較復雜，仿真時需做以下假設：(1)內部物質發熱均勻，內部材料各向同性，且為定值；(2)忽略電池內部的對流和熱輻射；(3)電池比熱為常數；(4)電池內阻不隨電池溫度與荷電狀態發生變化，視為常值。基于以上假設，在直角坐標系下方形鋰電池三維非穩態傳熱的能量守恒方程為：

由牛頓冷卻定律及灰體Stefan-Boltzmann公式(假設電池與周圍空氣的傳熱系統是灰度系統)給出邊界條件：

2.2 電池生熱速率模型選取

根據該方形LPF動力電池穿刺試驗測試結果可知，短路時電池產熱量主要來自焦耳熱，因此本文僅考慮焦耳熱對系統熱失控的影響。Gi-heon kim等認為短路產生的焦耳熱由短路區域的局部焦耳熱和整個電芯的焦耳熱兩部分組成：

2.3 電池熱物性參數的確定

不銹鋼、鋁、銅熱物性參數可通過有關手冊獲得。60 Ah LPF動力電池內核材料的平均比熱根據冷卻法通過實驗測得。內核材料三維正交導熱系數可利用chen[8]提出的計算方法計算得到。LPF動力電池熱物性參數見表1。

表1 LPF動力電池熱物性參數

3 電池散熱影響因素分析

3.1 電池表面對流換熱系數的影響

圖2 不同、有熱輻射時m-n線上的溫度分布

圖3 不同、有熱輻射時電池穿釘中心截面1-2-3-4上的最大溫度及內外最大溫差Δ變化

從圖2可知，電池溫度分布曲線呈對稱分布，靠近電池外部溫度低，靠近中心溫度高。從圖2、圖3可知，隨著對流換熱系數的增加，電池散熱效果顯著，截面處電池最大溫差及其最大溫度均隨著降低。同自然對流環境相比，一般強度強制風冷條件下電池最高溫度降低0.56℃，大強度強制風冷條件下電池最高溫度降低2.19℃，油冷條件下電池最高溫度降低4.74℃，水冷條件電池最高溫度降低26.36℃。從圖4、圖5可知，有熱輻射情況下電池最高溫度比無熱輻射情況下溫度要高，表明熱輻射對電池散熱有影響。因此，可對電池金屬外殼進行加工處理，以提高其熱輻射系數。

圖4 不同、有無熱輻射時截面1-2-3-4上的最大溫度變化

圖5 取5、有無熱輻射時m-n線上的溫度分布

3.2 單體外殼厚度的影響

圖6 不同厚度的線m-n上的溫度分布

圖7 不同厚度的截面1-2-3-4的最高溫度和最大溫差Δ

從圖6、圖7可知，隨著電池外殼厚度的增加，電池溫度、最高溫度及最大溫差均在降低。與0.5mm的鋼殼厚度相比，1.0mm的鋼殼電池截面處最大溫度降低10.71℃，1.5mm的鋼殼電池截面處最大溫度降低18.48℃，2.0mm的鋼殼電池截面處最大溫度降低24.44℃。增加電池外殼厚度將導致電池熱阻的增大，降低電池散熱性能，但能提供額外的熱容以緩和溫升，因此，電池外殼厚度如何影響電池散熱能力需綜合考慮其他因素分析，例如環境溫度，外殼材料等。

3.3 外殼材料的影響

分別取不銹鋼、黃銅、鋁及塑料pp四種材料分析對電池溫度的影響，其中黃銅、鋁和pp的導熱系數分別為108.9，240和0.21 W/(m·K)。建模時取統一厚度0.5mm，均考慮熱輻射影響。圖8為取不同材料時的線m-n的溫度分布。圖9為取不同導熱系數時的截面1-2-3-4的最高溫度和最大溫差Δ。

從圖8、圖9可知，四種材料中，塑料PP的導熱系數最小，熱阻最大，電池溫度最大，金屬鋁的導熱系數最大，熱阻最小，電池溫度最小。與pp相比，采用不銹鋼外殼使電池最大溫度降低1 765.54℃，采用黃銅外殼使電池最大溫度降低1 860.01℃，采用鋁外殼使電池最大溫度降低1 894.57℃。從式(1)可知，電池外殼材料的密度、比熱和導熱系數三個參數對電池溫度有影響。相比材料的密度、比熱兩個參數而言，導熱系數的差異是影響散熱的主要因素，優化外殼材料能夠明顯改善電池的散熱效果。

Thermal effect analysis for rectangle LPF power battery in case of internal short circuit

To analysis the influence of convective thermal transfer coefficient,thermal radiation,shell thickness and thermal conductivity on the thermal dissipation capability for a 60 Ah LPF power battery,the thermal-producing model was established under the nail test,and related parameters were determined.Meantime,a FEA model was established,and the temperature field was calculated quantitatively with the software Ansys.The results show that thermal dissipation capability is improved significantly by increasing convective thermal transfer coefficient of the battery surface and thermal conductivity.Among them,how the shell thickness affects temperature field inside of the battery needed to consider other factors.

thermal effect;thermal-producing model;finite element method

圖8 不同材料的電池線m-n的溫度分布

TM912

A

1002-087X(2016)12-2324-03

2016-05-13

廣東省青年創新人才類項目(自然科學類)(2015KQNCX190)；廣東科技學院自然科學類科研項目(GKY-2014KYZD-1)

金標(1981—)，男，湖北省人，講師，碩士生，主要研究方向為動力電池熱效應分析。