大尺寸方形锂离子电池热特性分析

考虑到空间的利用效率和电池组热控系统的特点，目前乘用电动汽车电池组普遍采用了方形锂离子电池，相比于圆柱形锂离子电池，方形锂离子电池在热特性上具有其自身的特点和优势。英国华威大学的ThomasGrandjean等[1]针对大容量的方形锂离子电池进行了研究，ThomasGrandjean发现随着锂离子电池尺寸的增大，电池内极片层数新增，电池的散热受到一定的阻碍，因此会在电池内部垂直于极片的方向和水平方向存在一定的温度梯度，这也会为电池组的热管理系统带来不小的挑战。

为了了解大尺寸方形锂离子电池的热特性，ThomasGrandjean针对商用20Ah方形LFP电池在不同的放电倍率下，电池内的温度梯度分布进行了详细的研究，研究发现环境温度和电池的放电电流都对电池的温度都有密切的关系，下表详细介绍了在不同的放电电流和环境温度下电池的温升。从下列数据可以看出，环境温度越低，放电倍率越大则温升越大。

在锂离子电池内部电流分布和散热受到电池结构、极耳的形状和位置等因素的影响，因此放电过程中，电池不同部分的温度变化也存在很大的不均匀性。电池不同部分的温升图如下图所示，从温升分布来看，在较大的放电倍率下电池内的温度分布是极不均匀的，电池中间部分温度要远高于其他部分，极耳部分则在大多数条件下温度都是最低的（重要是与导线连接带走了部分热量），但是在10C倍率下由于Al极耳自身产热较大，导致其温度较高。

由于受到极片热导率较小的影响，在垂直电池方向上ThomasGrandjean发现电池也存在着较大的温度梯度，并且这一温度梯度受到电池放电倍率很大的影响，如下图所示，在10C的大倍率下电池两侧表面的温度差值可达到20℃左右，随着电流的下降，温度梯度逐渐降低。温度梯度的存在会导致电池在使用过程中电流分布和SoC的不均匀，导致局部老化加速，进而影响电池的使用寿命。

电动汽车在使用的过程中会面对着启动、急加速等特殊情况，要锂离子电池进行大电流的放电，由于锂离子电池极化和欧姆阻抗的存在导致电池在大电流条件下产热极速新增，因此关于大电流下的大尺寸电池的热特性研究也是锂离子电池在实际应用中要关注的重点。戴姆勒汽车公司旗下生产锂离子电池的子公司Dt.ACCUmotiveGmbH&CoKG（为梅赛德斯-奔驰供应动力锂电池）的C.Veth等[2]对50Ah方形电池在大电流下的热特性进行了详细的研究，为电池的电-热模型的建立供应了高质量的数据，并为预测大尺寸电池内的温度、电流、电压、SoC和SoH的分布供应数据支持。

50Ah的NMC/C方形电池在300A电流下放电过程中电池表面温度变化如下图所示（图a，放电开始10s；图b，放电中间250s；图c，放电结束585s），从图上可以看到放电开始的时候高温区重要在靠近负极极耳的一侧，这重要是因为铜箔比较薄，导致阻值要高于更厚的Al箔，但是在放电的后期由于受到电池边界条件和电池形状的影响，电池高温区转移到了电池的中间部分。

C.Veth同样发现在电池组内的单体电池温度梯度随着放电电流的增大而增大，随着温度的提高而减小，如下图所示。

锂离子电池不同的老化模式会对电池出现不同的影响，这也会对锂离子电池在大电流下的热特性出现影响，C.Veth研究发现不同的电池老化模式会对锂离子电池的热特性出现截然不同的影响，下图中分别为日历老化的电池（图a），大电流循环老化电池（图b），小电流循环老化电池（图c）在250A放电后电池的温度分布图像，可以看出，不同的老化模式下电池的最热区域也有所不同，日历老化的电池由于存在气室，导致在电池的边角处存在一个非活性区，高倍率循环老化电池在负极极耳位置附近存在内阻新增的非活性区域，在低倍率循环电池中这一现象更加显著，内阻新增的非活性区域仅一步扩大。