不同熱管理方案下鋰離子電池模組溫度特性分析

李頂根，鄒時波，徐 鵬，吳 寬，李庭杰

（1．華中科技大學 能源與動力工程學院，武漢 430074；2.華中科技大學 中歐清潔與可再生能源學院，武漢 430074；3.海軍駐大連426 廠軍事代表室，遼寧，大連 116000）

鋰離子電池由于其高效充電、比能量高、密度小等諸多突出優點，現已成為應用前景最為廣闊的儲能技術，并在電動汽車中得到廣泛的應用[1-2]。由于發展速度過快，鋰離子電池層出不窮的安全性問題也為業界敲響了警鐘。基于相變材料（Phase Change Material，PCM）的熱管理方案實現了對電池散熱能力的提升，同時延緩了熱失控工況下熱量在模組中的蔓延[3]，成為熱管理方案優化的方向。

針對PCM 熱導率低的問題，BABAPOOR 等[4]通過將碳纖維添加到PCM 材料中進而增強PCM 熱導率，試驗結果表明，使用2 mm 長的碳纖維并使其質量分數達到0.46%時熱管理效果最好，電池最高溫升可以降低45%。LIN Chunjing 等[5]使用PCM 材料將電池包覆，在電池之間使用石墨片來增加熱導率，在增強熱量散失的同時顯著改善電池包溫度的均勻性。ANGELO 等[6]利用PCM 和膨脹石墨混合材料，構建了關于新型熱管理方案的一維模型，并驗證該方案優于強制對流散熱。ZHANG Xilong 等[7]使用銅纖維作為骨架并填充石蠟形成包覆材料，試驗表明，該設計能很好地提升填充材料的傳熱性能，并將電池包最大溫差控制在5 ℃以內。

針對基于PCM 材料的新型熱管理方案，ZHAO Jiateng 等[8]將PCM 和熱管結合，并增加翅片實現自然對流散熱，對比傳統自然對流散熱效率，成功將電池包溫度控制在50 ℃以內，并實現電池最大溫差控制在5 ℃以內。BAI Fanfei 等[9]將PCM 和液冷結合，在方型電池之間設置液冷板與PCM 混合放置的新結構，顯著降低了充放電過程中的電池溫度，改善了電池包溫度的均勻性。PING Ping 等[10]提出在PCM 外表面加裝翅片優化熱管理結構，增強電池包熱導率。試驗證明，此熱管理結構可以將電池包溫度控制在51 ℃以下，有效增強熱量耗散速率。SONG Limin 等[11]提出使用PCM 作為電池間隙填充材料，底板使用液冷冷卻來帶走多余熱量。

針對PCM 材料對熱失控傳播的抑制，WU Weixiong 等[12]提出了一種基于石蠟和膨脹石墨的新材料模型，當電池之間距離大于14 mm 時可以有效防止熱失控的蔓延。WILKE 等[13]使用插排方式排列電池并在電池之間填充PCM 材料，實現將熱失控時的電池最高溫度降低60 ℃。

本研究基于COMSOL 軟件，提出一種基于PCM 與液冷結合的新型熱管理方案，并以該方案為基礎探究不同填充材料下充放電倍率、液冷流量、液冷管排數對正常電池模組溫度的影響以及不同填充材料對電池模組熱失控傳播的影響，并結合電池熱失控傳播試驗數據，驗證電池熱管理方案模擬的準確性，最終對電池熱管理方案優化提供建議。電池基本參數見表1。

1 模型的建立

該模型基于18650 電池，建立了以填充材料包覆和液冷結合的新型電池熱管理方案模型，具體參數詳見表1。通過改變充放電倍率、液冷流量、液冷管排數實現了對正常工況下電池模組熱量變化的模擬，并基于熱失控試驗探究填充材料對熱失控在電池包蔓延的影響，試驗結果驗證了模型的準確性。其中，液冷管道的排布和電池的縱向排布為均勻排布。

1.1 傳熱模型

在建立電池模組三維模型時，會使用均質材料假設來降低計算的復雜度，此外，還需要對材料的密度ρ，比熱容Cp和導熱系數K進行平均等效。即在不同溫度情況下，材料的上述參數不會由于環境的改變而發生變化，在電池內部熱流量是一致的。

電池是由負極、隔膜、電解液、正極、集流體等共同組成的統一整體，針對圓柱型電池而言，是由聚乙烯隔離材料在正負極間隔纏繞而成，其各部分材料的屬性很不一樣，針對每一部分進行精細建模變得很不現實，需要進行整體參數等效，對密度、比熱容和導熱系數進行等效計算。其中，在電池內部熱量傳遞控制方程為：

式中：Cp為電池比熱容，J/(kg·℃)；ρC為電池密度， kg/m3；T為電池溫度，K；K為電池導熱系數， W/(m·K)；Qt為一維電化學熱源產熱，J。

針對電池比熱容Cp和電池密度ρC的等效公式為：

式中：Li為電池某一部分的厚度，m；ρ i為電池對應部分的密度，kg/m3；Cp,i為電池對應部分的比熱容，J/(kg·℃)。針對電池熱導率的等效計算分為厚度和長度兩個方向分別等效，計算公式為：

在長度方向

在厚度方向

式中：Li為電池某一部分的寬度，m；Ki為電池對應的熱導率，W/(m·K)。

針對電池模組與外圍空氣對流換熱，其對流換熱邊界條件為：

式中：h為電池對流換熱系數；T為電池溫度，K；T∞為外界環境溫度，K。

1.2 熱失控模型

該模型中引入了電池熱失控模型，對電池熱失控進行了全周期模擬，探究了填充材料對熱失控蔓延的影響。電池熱失控的發生大致可以分為4個階段。首先是固體電解質界面（Solid Electrolyte Interface，SEI）膜的分解，其次是負極與電解液反應，再次是電解液自身的分解，最后是正極材料與電解液反應。這4 個階段不是獨立存在而是相互影響的，最終導致不可逆的電池熱失控發生。其中，表2 為熱失控模型相關參數，表3 為熱失控模型相關參數初始值。

當電池發生熱失控時，電池產熱可以由以下公式來描述：

式中：Qs為電池總的產熱量；Qsei為SEI 膜分解產熱；Qneg為負極材料與電解液反應產熱；Qpos為正極材料與電解液反應產熱；Qele為電解液高溫條件下分解產熱。有關上述4 個部分詳細的產熱計算公式如式（8）～（16）[14]所示。

表2 電池熱失控模型相關參數[11]

表3 電池熱失控模型相關參數初始值[15]

1.2.1 SEI 膜分解產熱

1.2.2 負極與電解液反應產熱

1.2.4 電解液分解產熱

1.3 電池模組三維結構模型

如圖1 所示，該電池模組由12 塊18650 電池組成，其中熱失控是通過對第1 塊電池進行針刺實現觸發，電池按照圖1 所示進行編號。在電池之間設置有間距相等的液冷管道。該微管是鋁制微管，微管壁厚0.4 mm，微管內壁半徑為1.6 mm，通過微管內部液體流動，可以及時帶走電池模組的熱量，其液冷介質為水。液冷管排數是研究變量之一，液冷管排之間等距排列，該圖是10 根管道排列的情形。本文對電池模組包覆的填充材料進行了研究，分別使用石墨和PCM 材料進行填充，研究其在熱失控狀態下的模組熱量傳播規律，并基于試驗和模型數據對比結果驗證了模型的準確性。

圖1 電池模組三維結構

2 仿真結果對比分析

基于物理仿真軟件建模分析，研究了正常工況下填充材料為石墨和PCM 材料下的液冷流量、管排數和充放電倍率對電池溫度的影響，同時對不同填充材料對熱失控在電池模組中的蔓延影響做了建模分析，結合試驗數據驗證模型的準確性。

2.1 正常工況下不同熱管理方案對電池溫度的影響

在電池正常工況下，針對不同填充材料（石墨和PCM）下的電池包溫度特性進行了模擬研究，其中兩種填充材料是非常不同的，石墨對外表現為熱導率大但熱容低，熱量散失容易但不能及時對局部熱量進行吸收，PCM 材料熱容高但導熱率低，可以較好地保證電池溫度的一致性，但高溫下電池模組溫度散失較慢。研究小組通過對比分析不同填充材料下電池模組溫度按照充放電倍率、液冷流量和液冷管排數的變化規律，為熱管理系統的優化提供依據。所有模擬都基于周期為600 s 的循環充放電來完成。

2.1.1 不同充放電倍率對電池模組溫度的影響

電池充放電溫度變化曲線如圖2 所示，循環充放電時間為600 s，循環充放電模擬參數見表4。在填充材料分別為PCM 和石墨兩種情況下，對應的溫升曲線變化明顯，主要有以下幾個方面的特征：在以600 s 為周期的循環充放電溫升圖中，均出現電池溫升曲線率在300 s 時發生突變的情況，原因在于前300 s 是處于放電狀態，其電化學反應為對外放熱，后300 s 處于充電狀態，其電化學反應對外吸熱，因此其溫升率發生突變。由于在充放電過程中還有極化熱和歐姆內阻熱的存在，所以雖然溫升率發生突變，但是依然對外表現為放熱，其模擬結果符合實際情況。填充材料為PCM 相比于填充材料為石墨，在3C 和5C 充放電時溫升較為明顯，其中填充材料為PCM 時3C 充放電倍率最高溫升為600 s 時的5.15 ℃，5C 充放電倍率最高溫升為600 s時的13.13 ℃，充放電倍率提升60%，其溫升提高了156%；對比填充材料為石墨時3C 充放電倍率最高溫升為600 s 時的1.72 ℃，5C 充放電倍率最高溫升為4.22 ℃，充放電倍率提升60%，其溫升僅提升了145%，在正常工況下填充材料為PCM 相比于石墨溫度隨充放電倍率的提升更快。同時，在充放電倍率為3C 時，填充材料為PCM 時最大溫升是填充材料為石墨最大溫升的2.99 倍，在充放電倍率為5C時，填充材料為PCM 的電池最大溫升是填充材料為石墨的電池最大溫升的3.10 倍，基于數據分析可以看出，石墨能有效散失熱量，進而降低電池溫升水平。

填充材料為石墨時，研究小組發現在3C 和5C充放電倍率下，電池放電結束點（600 s）溫升僅比電池充電結束點（300 s）溫升提高25%和5.7%，填充材料為PCM 時，在3C 和5C 充放電倍率下，電池放電結束點（600 s）溫升比電池充電結束點（300 s）溫升提高87%和58%，說明使用PCM 填充材料時電池溫度更容易被積累，進而導致電池整體溫度進一步上升。

圖2 電池充放電溫度變化曲線

表4 電池充放電倍率模擬參數

2.1.2 不同液冷流量對電池模組溫度的影響

電池液冷模擬參數和電池液冷溫度變化曲線分別如表5 和圖3 所示。在不同填充材料條件下，改變液冷流量沒有使電池溫度發生顯著變化。在填充材料為PCM 時電池最高溫升為5.18 ℃，在填充材料為石墨時電池最高溫升為1.75 ℃。由圖中可知，液冷流量對電池溫度影響非常小，可以忽略不計，因此，對于熱管理系統的主要優化方向應集中在填充材料的導熱率和比熱容的變化。

2.1.3 不同管排數對電池模組溫度的影響

電池管排數模擬參數和電池溫度隨管排數的變化曲線如表6 和圖4 所示。由圖可知，當填充材料為石墨時液冷管道排布數在液冷管道較少時對溫度影響較大，當管道數超過8 根時對溫度影響較少，甚至出現管排12 根溫升超過8 根的情況，原因在于石墨熱導率大，過多的液冷管道反而會占用石墨的填充位置，導致熱量不易散失。當填充材料為PCM，管道數從4 根增加為8 根時，電池最高溫升降低了3.27 ℃，當液冷管道數從8 根增至12 根時，最高溫升降低了2.21 ℃，溫升降低十分明顯，表明當填充材料熱導率較低、熱容較大時，增加液冷管道數目可以有效降低充放電過程中的電池溫度。

表5 電池液冷模擬參數

圖3 電池溫度隨液冷流量變化曲線

表6 電池管排數模擬參數

圖4 電池溫度隨管排數變化曲線

2.2 熱失控工況下不同填充材料對電池模組溫度傳播特性的影響

對于石墨和PCM 兩種填充材料而言，石墨具備高熱導率低熱容的特征，在溫度過高時能夠更快地將熱量傳遞至整個電池模組，增加與空間的有效散熱面積，進而達到熱量快速散失的目的，在電池包處于正常溫度時還可以保證電池模組溫度的一致性。PCM 材料熱導率低但熱容高，同等條件下可以吸收更多的熱量進而達到阻斷熱量在模組中傳播的目的，但是同時也會導致局部溫升過高直接融化PCM 材料，從而可能造成不可逆的熱濫用發生。在電池模組某一電池發生熱失控的條件下，哪種填充材料可以保證電池模組正常工作更長時間成為研究的重點。

2.2.1 熱失控模擬結果對比分析

熱失控模擬參數見表7。填充材料為石墨時熱失控在模組中的傳播曲線如圖5 所示，填充材料為PCM 時熱失控在電池模組中的傳播曲線如圖6 所示。模組熱失控均由1 號電池通過針刺觸發，當填充材料為石墨時，熱失控傳播路徑為5-2-6-3-7-4-8（9）-10-11-12，模組中最后一塊電池熱失控發生在第29 s。當填充材料為PCM 時，熱失控的傳播路徑為2-5-6-3-7-4-8（9）-10-11-12，模組中最后一塊電池熱失控發生在第277 s。模組中熱失控的傳播順序在填充材料不同時基本類似，但是由于填充材料熱導率的不同導致填充材料為PCM 時電池熱失控傳播得到延緩，填充材料的PCM 相比填充材料為石墨熱失控熱量蔓延至第2 顆電池的時間長27.1 s，而且全模組熱失控時間得到了延緩，可以肯定PCM在延緩熱失控方面是十分有效的。

表7 熱失控模擬參數

圖5 填充材料為石墨時電池熱失控傳播

圖6 填充材料為PCM 時電池熱失控傳播

當填充材料為PCM 時，由于單個電池針刺熱濫用導致熱量在電池模組內傳播產生的電池表面溫度變化如圖7 所示，從左至右分別為50 s、100 s、150 s 和200 s 時的電池表面溫度變化。在針刺熱濫用發生后，被針刺的電池即刻發生熱失控，在50 s內第2 顆電池發生熱失控，由于產熱率非常大，僅靠液冷已經無法將熱量及時散失，隨著時間的推移，整個模組發生熱失控。

模擬結果顯示，對于以石墨為填充材料的電池模組而言，雖然石墨在熱量散失方面對比PCM 具有較大優勢，但是由于熱失控期間放熱率巨大，僅僅憑借石墨的散熱優勢無法對熱失控熱量進行有效散失。因此，在正常工況下以石墨為填充材料的熱量散失優勢并未在延緩熱失控方面有所體現。

圖7 電池表面溫度變化（PCM）

填充材料為石墨和PCM 時模組中每顆電池發生熱失控的時間如圖8 和圖9 所示。由圖可知，電池熱失控在模組中的蔓延速率是較為穩定的，通過降低填充材料導熱率和增加其熱容，從而實現對電池熱失控傳播的延緩是完全可行的。

圖8 填充材料為石墨模組中電池發生熱失控時間

圖9 填充材料為PCM 模組中電池發生熱失控時間

分析圖8 和圖9 可知，當填充材料為PCM 時，電池平均熱蔓延時間為27 s；當填充材料為石墨時，電池熱失控在模組內的平均蔓延時間為2.6 s，模擬結果證實相比于使用石墨作為填充材料，低熱導率高熱容的PCM 可以有效增加電池模組正常工作時長，實現對熱失控在電池模組中傳播的抑制。

2.2.2 熱失控試驗對比分析

通過使用PCM 材料填充的2×3 的18650 電池模組進行熱失控試驗，由于在熱失控工況下電池放熱率急劇升高，液冷管道對于熱量的散失作用可以忽略不計，因此在試驗時采用無液冷管道的PCM材料填充，其電池之間的間距與模擬狀態下相同。

對電池模組中1 號電池進行針刺試驗觸發電池熱失控，觀察熱失控在模組中的蔓延情況，如圖10所示，按照電池發生熱失控的順序進行標號，相應電池發生熱失控所用的時間如圖11 所示，可以發現熱失控在電池之間的平均蔓延速率維持在40 ～50 s/顆，PCM 材料的存在有效降低了熱量模組中的傳播速率，從而延緩了熱失控在模組中的傳播。對比COMSOL 模擬結果，由于試驗模組比模擬模組外表面積小，因此試驗工況下熱量的散失速率要比模擬時偏低，考慮外表面積散熱對熱量蔓延速率的影響后可以認定試驗結果和模擬結果實現了比較好的匹配，試驗結果成功驗證了該模型構建的準確性，在后續研究過程中可以基于該模型完成更為可靠的電池模組熱失控模擬分析。

圖10 模組熱失控試驗電池溫度時間圖

圖11 電池模組中熱失控傳播時間圖（PCM 填充）

3 結論

本文基于COMSOL 軟件構建了電池模組三維熱電耦合模型，結合該模型對正常工況下不同填充材料的放電倍率、液冷流量、管排數對電池模組溫度的影響進行了深入分析和研究，同時對熱失控工況下不同填充材料的熱失控在模組中的傳播進行了模擬和試驗，試驗數據和模擬結果對比，印證了模型構建的準確性。基于結果分析得出以下結論：

（1）填充材料和管排數對電池模組溫度影響較大，液冷流量對電池模組溫度影響較小。在相同的充放電倍率情況下，基于PCM 填充材料比基于石墨填充材料的電池模組溫度上升更快，在3C 和5C充放電倍率時，填充材料為PCM 的電池最大溫升是填充材料為石墨的電池的3 倍左右。

（2）當填充材料熱導率較低熱容較大時，增加液冷管道數目可以有效降低充放電過程中的電池溫度，但是隨著液冷管道增多，溫度降低速率將會下降，填充材料為石墨時最佳液冷管排數為8 根。

（3）試驗和模擬結果表明，對于以石墨為填充材料的電池模組而言，雖然在熱量散失方面比以PCM 為填充材料的電池模組具有較大優勢，但是由于熱失控期間放熱率巨大，僅僅憑借石墨的散熱優勢無法對熱失控熱量進行有效散失。因此，在正常工況下，以石墨為填充材料的熱量散失優勢并未在延緩熱失控方面有所體現，確認了以PCM 為填充材料將能實現對熱失控傳播的有效延緩，并進行了試驗驗證。