大尺寸方形鋰電池熱特性分解

考慮到空間的利用效率和電池包熱控系統的特點，目前乘用電動車電池包普遍采用了方形鋰電池，相比于圓柱形鋰電池，方形鋰電池在熱特性上具有其自身的特點和優點。英國華威大學的ThomasGrandjean等[1]針對大容量的方形鋰電池進行了研究，ThomasGrandjean發現隨著鋰電池尺寸的增大，電池內極片層數新增，電池的散熱受到一定的妨礙，因此會在電池內部垂直于極片的方向和水平方向存在一定的溫度梯度，這也會為電池包的熱管理系統帶來不小的挑戰。

為了知道大尺寸方形鋰電池的熱特性，ThomasGrandjean針對商用20Ah方形LFP電池在不同的放電倍率下，電池內的溫度梯度分布進行了具體的研究，研究發現環境溫度和電池的放電電流都對電池的溫度都有密切的關系，下表具體解析了在不同的放電電流和環境溫度下電池的溫升。從下列數據可以看出，環境溫度越低，放電倍率越大則溫升越大。

在鋰電池內部電流分布和散熱受到電池結構、極耳的形狀和位置等因素的影響，因此放電過程中，電池不同部分的溫度變化也存在很大的不平均性。電池不同部分的溫升圖如下圖所示，從溫升分布來看，在較大的放電倍率下電池內的溫度分布是極不平均的，電池中間部分溫度要遠高于其他部分，極耳部分則在大多數條件下溫度都是最低的（緊要是與導線連接帶走了部分熱量），但是在10C倍率下由于Al極耳自身產熱較大，導致其溫度較高。

由于受到極片熱導率較小的影響，在垂直電池方向上ThomasGrandjean發現電池也存在著較大的溫度梯度，并且這一溫度梯度受到電池放電倍率很大的影響，如下圖所示，在10C的大倍率下電池兩側表面的溫度差值可達到20℃左右，隨著電流的下降，溫度梯度逐漸降低。溫度梯度的存在會導致電池在使用過程中電流分布和SoC的不平均，導致局部老化加速，進而影響電池的使用壽命。

電動車在使用的過程中會面對著啟動、急加速等特殊情況，要鋰電池進行大電流的放電，由于鋰電池極化和歐姆阻抗的存在導致電池在大電流條件下產熱極速新增，因此關于大電流下的大尺寸電池的熱特性研究也是鋰電池在實際使用中要關注的重點。戴姆勒汽車公司旗下加工鋰電池的子公司Dt.ACCUmotiveGmbH&CoKG（為梅賽德斯-奔馳供應動力鋰離子電池）的C.Veth等[2]對50Ah方形電池在大電流下的熱特性進行了具體的研究，為電池的電-熱模型的建立供應了高質量的數據，并為預測大尺寸電池內的溫度、電流、電壓、SoC和SoH的分布供應數據支持。

50Ah的NMC/C方形電池在300A電流下放電過程中電池表面溫度變化如下圖所示（圖a，放電開始10s；圖b，放電中間250s；圖c，放電結束585s），從圖上可以看到放電開始的時候高溫區緊要在靠近負極極耳的一側，這緊要是因為銅箔比較薄，導致阻值要高于更厚的Al箔，但是在放電的后期由于受到電池邊界條件和電池形狀的影響，電池高溫區轉移到了電池的中間部分。

C.Veth同樣發今朝電池包內的單體電池溫度梯度隨著放電電流的增大而增大，隨著溫度的提高而減小，如下圖所示。

鋰電池不同的老化模式會對電池出現不同的影響，這也會對鋰電池在大電流下的熱特性出現影響，C.Veth研究發現不同的電池老化模式會對鋰電池的熱特性出現截然不同的影響，下圖中分別為日歷老化的電池（圖a），大電流循環老化電池（圖b），小電流循環老化電池（圖c）在250A放電后電池的溫度分布圖像，可以看出，不同的老化模式下電池的最熱區域也有所不同，日歷老化的電池由于存在氣室，導致在電池的邊角處存在一個非活性區，高倍率循環老化電池在負極極耳位置附近存在內阻新增的非活性區域，在低倍率循環電池中這一現象更加顯著，內阻新增的非活性區域僅一步張大。

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