車用動力鋰離子電池熱模擬與熱設計的研發(fā)狀況與展望

張劍波 吳 彬 李 哲

(清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084)

車用動力鋰離子電池熱模擬與熱設計的研發(fā)狀況與展望

張劍波 吳 彬 李 哲

(清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室北京100084)

車用動力鋰離子電池的熱相關問題是決定電動汽車性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。文章比較了市場上三款典型電動汽車的熱管理方案，闡述了單體電池熱設計的重要性，系統(tǒng)介紹了電池熱設計的基礎方法——電池熱模擬，概述了應用電池熱模擬指導電池熱設計的嘗試與結論，最后整理出電池熱模擬及熱設計中需要突破的關鍵問題 。

鋰離子電池；熱模擬；熱設計；熱管理；電動汽車

1 引 言

汽車電動化是世界汽車產業(yè)發(fā)展的重要趨勢，也是中國汽車產業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。制約電動汽車大規(guī)模商業(yè)化應用的瓶頸技術是大型動力電池，而電池的熱相關問題是決定其使用性能、安全性、壽命及使用成本的關鍵因素。

首先，鋰離子電池的溫度水平直接影響其使用中的能量與功率性能。溫度較低時，電池的可用容量將迅速發(fā)生衰減，而在過低溫度下(如低于0℃)對電池進行充電，則可能引發(fā)瞬間的電壓過充現象，造成內部析鋰進而引發(fā)短路。

其次，鋰離子電池的熱相關問題直接影響電池的安全性。生產制造環(huán)節(jié)的缺陷或使用過程中的不當操作等可能造成電池局部過熱，進而引起連鎖放熱反應，最終造成冒煙、起火甚至爆炸等嚴重的熱失控事件，威脅到車輛駕乘人員的生命安全。

另外，鋰離子電池的工作或存放溫度影響其使用壽命。電池存放的適宜溫度為10～30℃之間[1]，過高或過低的溫度都將引起電池壽命的較快衰減。動力電池的大型化使得其表面積與體積之比相對減小，電池內部熱量不易散出，更可能出現內部溫度不均、局部升溫過快等問題，從而進一步加速電池衰減，縮短電池壽命，增加了用戶的總擁有成本。

因此，設計車用動力鋰離子電池時，除了像設計手機類傳統(tǒng)電池時要考慮容量、能量、功率等電學特性之外，對電池熱特性進行深入分析和細致設計變得格外重要。本文首先比較幾款典型電動汽車的熱管理方案，以此來說明單體電池熱設計的重要性；接下來對電池熱設計的基礎——電池熱模擬進行系統(tǒng)的介紹；進而闡述應用電池熱模擬指導電池熱設計的方法；最后，對電池熱模擬及熱設計中需要突破的關鍵問題進行分析和整理。

2 從典型電動汽車熱管理方案看單體電池熱設計

車用電池熱管理系統(tǒng)是應對電池的熱相關問題，保證動力電池使用性能、安全性和壽命的關鍵技術之一。熱管理系統(tǒng)的主要功能包括：(1)在電池溫度較高時進行有效散熱，防止產生熱失控事故；(2)在電池溫度較低時進行預熱，提升電池溫度，確保低溫下的充電、放電性能和安全性；(3)減小電池組內的溫度差異，抑制局部熱區(qū)的形成，防止高溫位置處電池過快衰減，降低電池組整體壽命。

Tesla Motors公司的Roadster純電動汽車采用了液冷式電池熱管理系統(tǒng)[2]。車載電池組由6831節(jié)18650型鋰離子電池組成，其中每69節(jié)并聯為一組(brick)，再將9組串聯為一層(sheet)，最后串聯堆疊11層構成。電池熱管理系統(tǒng)的冷卻液為50%水與50%乙二醇混合物。圖1(a)為一層(sheet)內部的熱管理系統(tǒng)。冷卻管道曲折布置在電池間，冷卻液在管道內部流動，帶走電池產生的熱量。圖1(b)是冷卻管道的結構示意圖。冷卻管道內部被分成四個孔道，如圖1(c)所示。為了防止冷卻液流動過程中溫度逐漸升高，使末端散熱能力不佳，熱管理系統(tǒng)采用了雙向流動的流場設計，冷卻管道的兩個端部既是進液口，也是出液口，如圖1(d)所示。電池之間及電池和管道間填充電絕緣但導熱性能良好的材料(如Stycast2850/ct)，其作用是：(1)將電池與散熱管道間的接觸形式從線接觸轉變?yōu)槊娼佑|，增大傳熱效率；(2)促進電池間熱交換，有利于提高單體電池間的溫度均一度(相當于被動熱均衡)；(3)提高電池包的整體熱容，從而降低整體平均溫升。

通過上述熱管理系統(tǒng)，Roadster電池組內各單體電池的溫度差異控制在±2℃內。2013年6月的一份報告顯示，在行駛10萬英里后，Roadster電池組的容量仍能維持在初始容量的80%～85%，而且容量衰減只與行駛里程數明顯相關，而與環(huán)境溫度、車齡關系不明顯[3]。上述結果的取得依賴電池熱管理系統(tǒng)的有力支撐。

通用汽車公司的Volt插電式混合動力汽車使用了288節(jié)45Ah的層疊式鋰離子電池[4]。電池組的電氣連接可等效為96片單體串聯成組，3組并聯。熱管理系統(tǒng)采用了液冷式設計方案(見圖2)，以50%水與50%乙二醇混合物為冷卻介質。單體電池間間隔布置了金屬散熱片(厚度為1mm)，散熱片上刻有流道槽。冷卻液可在流道槽內流動帶走熱量。在低溫環(huán)境下，加熱線圈可以加熱冷卻液使電池升溫。

圖1 Roadster的電池熱管理系統(tǒng)示意圖[2]Fig.1. Schematic of the thermal management system in Roadster

圖2 Volt的電池熱管理系統(tǒng)示意圖[4]Fig.2. Schematic of the thermal management system in Volt

Volt的電池組內的溫度差可控制在2℃以內，有力地支持了8年的電池組壽命保證期。

日產汽車公司的LEAF純電動汽車采用了少見的被動式電池組熱管理系統(tǒng)[5]。電池組由192節(jié)33.1Ah的層疊式鋰離子電池組成。4節(jié)單體電池采用兩并兩串的連接形式組成模塊，48個模塊串聯組成電池組。電池組采用密封設計，外界不通風，內部亦無液冷或空冷的熱管理系統(tǒng)，但寒冷地區(qū)有加熱選件。LEAF所采用的鋰離子電池經過電極設計后降低了內部阻抗，減小了產熱率，同時薄層(單體厚度7.1mm)結構使電池內部熱量不易產生積聚，因此可以不采用復雜的主動式熱管理系統(tǒng)。電池組的壽命保證期是8年或16萬公里。

對比市場上三款典型電動汽車的熱管理系統(tǒng)，日產LEAF所采用的被動式熱管理系統(tǒng)結構最為簡單，但電池組的保證期間與另兩款電動汽車不相上下。究其原因，單體電池的熱特性差異是重要因素。因此，單體電池的熱特性是電池組熱管理系統(tǒng)設計的基石，單體電池熱特性的改善可以降低電池組熱管理系統(tǒng)的復雜度，減小電池組重量，降低成本。

3 電池熱設計的基礎——電池熱模擬

為了改善單體電池的熱特性，需要在單體層次進行電池的熱設計，而電池熱模擬是熱設計的主要手段之一，可以顯著節(jié)省設計時間和成本。電池熱模擬的結果可用于指導電池的熱設計，通過優(yōu)化電池結構、尺度與局部部件設計，能夠顯著降低充放電過程中的電池內部溫升，同時提高內部溫度分布的均勻性。本節(jié)將從電池熱模型、熱參數、產熱率及驗證實驗等方面介紹電池熱模擬的研究現狀。

電池熱模擬的基本方程為

式中的是電芯密度，Cp是電芯比熱容，T是溫度，k是電芯導熱系數，qg是電芯產熱率。

電池表面的微元與外部環(huán)境在外法線方向上的熱交換給定的邊界條件為：

其中，h為電池與外部環(huán)境的對流換熱系數，Ta為外部環(huán)境的絕對溫度。

根據所關注維度的不同，電池的熱模型可分為零維模型(集中質量模型)，以及一維[6,7]、二維[8,9]和三維模型[10-12]等。結構不同的電池，其受關注的維度方向各不相同。圓柱形電池往往采用零維模型、一維(徑向)模型[6,7,13]或二維(徑向、軸向)模型[9,14-16]；方形層疊式電池往往采用二維(電極平面)模型[15,16]或三維模型[10-12]；方形卷繞式電池往往采用三維模型[17]。

根據對電池內部電流分布的不同假設，公式(1)中電池產熱率qg的計算方法也不相同。按照此方法分類，電池的熱模型可分為均一電流模型[6-9]和電流分布模型[14-16,18,19]。均一電流模型假設電池內部的電流密度是均勻分布，產熱率計算簡單，對于小尺度的電池可達到較高的模擬精度，對于電池組的熱管理具有重要的實用價值，但當電池尺度偏大或電池內部熱設計極端不合理時，該類模型的精度往往有所下降，也無法對電池內部的最高溫度、局部熱點位置等進行合理的預測。電流分布模型通過熱—電耦合方法或熱—電化學耦合方法計算電池內部的電流分布，進而計算各處的產熱率，與均一電流模型相比精度較高，但計算復雜度也相應增加。電流分布模型對指導電池單體的熱設計、優(yōu)化電池的制造和裝配方法等具有重要意義。

3.1 熱參數估算方法

電池熱參數包括電芯的比熱容，導熱系數及表面對流換熱系數等。準確的熱參數測量結果是建立高效、可靠的模擬方法的基礎。本節(jié)介紹電池熱參數的傳統(tǒng)測量方法和新型測量方法。

3.1.1 傳統(tǒng)熱參數測量方法

導熱系數的測量方法一般分為穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩類。

穩(wěn)態(tài)法在物體溫度分布達到穩(wěn)定狀態(tài)后，通過測量熱流量和溫度差，以傅里葉導熱定律計算導熱系數。Verbrugge[20]將電池的正、負極片及隔膜制成板狀組件，有序疊放在加熱組件兩側，并在組件間放置熱電偶。加熱組件以恒定功率發(fā)熱，測量穩(wěn)態(tài)時的板間溫度差，計算出測量對象的導熱系數。穩(wěn)態(tài)法原理簡單，測量時間較長，測量過程中的邊界條件較難控制，需要考慮被測對象向外界的散熱及壓緊力對組件間接觸熱阻的影響等因素，誤差修正較為復雜。

瞬態(tài)法則通過測量瞬態(tài)導熱過程中物體溫度變化，以瞬態(tài)導熱微分方程為基礎計算熱擴散系數，進而求出導熱系數。Verbrugge[20]利用瞬態(tài)法測量電池的導熱系數，在測試樣品的一端以激光施加脈沖式加熱，另一端通過傳感器測量溫升曲線，從而計算出導熱系數。非穩(wěn)態(tài)法的測量時間短，效率高，但對試樣制作和測量儀器要求高。

比熱容具有質量加和性，因此對已知組成物比熱容及比例的電池可通過計算確定比熱容。此外，電池比熱容也可以通過加速量熱儀[21]、等溫電池量熱儀[22]等測量得到。加速量熱儀可近似為測量對象提供絕熱環(huán)境，以已知功率的熱源加熱電池，測量一段時間后的電池溫度變化，進而可計算電池的比熱容。等溫電池量熱儀通過測量電池溫度升高或降低 1℃ 過程中所吸收或放出的熱量來計算電池的比熱容。

對流換熱系數評價流動傳熱中流體與壁面間熱量交換的強弱，與流動形態(tài)、流體熱物性、表面幾何因素等密切相關。對流換熱系數的確定方法包括分析法、類比法、數值法和實驗法等。工程中常采用相似準則關聯式的方法估算對流換熱系數[23]。

3.1.2 新型熱參數測量方法

鋰離子動力電池具有以下結構特點：第一，電池往往采用層疊式或卷繞式結構，導熱系數具有各向異性；第二，電芯與殼體材料間的熱物性差異較大，因此在測量中需將電芯與殼體材料分開考慮；第三，電芯處于電解液浸沒狀態(tài)，電解液含量對電芯的熱物性可能存在重要影響，在測量時電芯應處于正常含量的電解液浸潤中，因此需對電芯熱參數進行原位測量。

熱阻抗譜分析法[24]采用類比分析的方法可以建立一套基于熱阻、熱容概念的熱阻抗譜分析方法。以不同的加熱頻率加熱電池，測量電池的溫度響應，仿照電化學阻抗的分析方法，可計算得到等效熱電路的熱阻、熱容，進而求取電池的導熱系數和比熱容。

Zhang 等[25]提出了一種實驗與數值解優(yōu)化結合的方法，實現了對大型動力電池多個熱參數的同時、原位測量，包括電芯的比熱容、各向異性的導熱系數等，為建立高精度單體電池熱模型提供了較為可靠的參數輸入，并為評價單體電池的熱性能、提高單體電池的熱設計水平提供參考。首先，在電池表面放置熱源，測量電池單體上多點的瞬態(tài)溫度變化情況；繼而，在仿真軟件中建立簡化的反映實驗過程的傳熱模型，以文獻參考值作為初值輸入模型，計算得到對應各點的溫度情況；最后，在優(yōu)化軟件中，通過不斷調整模型的熱參數輸入，將各點溫度的數值解與實驗所得的真實溫度進行對比，并最終鎖定使兩者差異最小的熱參數取值，這一對應取值即為本方法的測量值。

3.2 產熱率模型與估算方法

電池的產熱率與電池的溫度與荷電狀態(tài)等密切相關。準確的電池產熱率輸入對提高電池熱模擬的精度有著十分重要的作用。

Bernardi 等[26]根據熱力學第一定律推導出的電池產熱率的表達式為：

式中等號右側的第一項代表電池對外做的電功，第二項是電池內部各反應的焓變總和，第三項是混合熱，第四項是材料的相變熱。

Bernardi產熱模型在忽略混合熱和相變熱后可以簡化為[27]：

上式中的第一項是電池的過電位引起的不可逆產熱；第二項是電池的可逆熱。簡化后的 Bernardi 產熱模型在鋰離子電池的熱模型中得到了廣泛的應用。

不可逆熱一般采用等效內阻方法進行計算，即：

式中的R是等效內阻，與電池溫度和荷電狀態(tài)有關。

等效內阻的常見測量方法包括[27]：

(1)電壓—電流曲線法：測量不同溫度和倍率下的放電曲線，繪制不同溫度和荷電狀態(tài)下的電壓—電流曲線，從曲線斜率計算對應溫度和荷電狀態(tài)下的等效內阻；

(2)電流間斷法：對某溫度和荷電狀態(tài)下的電池施加電流脈沖，測量電壓變化曲線，根據電流脈沖的幅值和電壓變化量可計算等效內阻；

(3)交流阻抗法：測量電池的電化學阻抗譜，將Warburg 阻抗起作用前的電池阻抗的實部算作等效內阻。

對于大型電池，直接應用電壓—電流曲線法測量等效內阻，會遇到電池溫升較大[28]，所測結果難以對應某個溫度的困難。為解決該問題，Huang等[29]提出使用相同電極材料、尺寸成比例縮小、單個電極對的模型電池來替代大型電池進行放電實驗，以使放電過程中電池溫度基本不變。模型電池的實驗結果可以通過單位電極面積的等效內阻相等折算為大型電池的等效內阻。

Huang等[29]還提出使用能量法測量等效內阻。根據能量守恒定律，在充電過程中，測試儀器向電池提供的能量 Echa可分為三個部分：電池自身儲存的能量Ebat，不可逆產熱和可逆產熱；在相同倍率的放電過程中，電池放出的能量 Ebat也可分為三個部分：電池所做的電功Edis，不可逆產熱和可逆產熱。假設充、放電過程中的不可逆熱部分保持一致，而可逆熱部分大小相等、符號相反，則不可逆熱部分大小為

式中I為充電或放電電流大小，R為等效內阻，t為充電或放電時間。

與其他測量等效內阻的方法相比，能量法除了充、放電實驗外不需要進行額外的實驗，實驗任務最少。

可逆熱的常見測量方法可分為兩類[27]：

(1)量壓法：測量不同荷電狀態(tài)下的電池開路電壓隨溫度的變化規(guī)律，計算熵系數，進而計算可逆熱；

(2)量熱法：以相同倍率分別對電池進行充、放電，測量充、放電過程中的放熱量分別為Qcha和Qdis。假設相同倍率的充、放電過程中不可逆熱相等，而可逆熱大小不變，符號相反，則可逆熱的大小為(Qcha—Qdis)／2。

上述測量方法大多是通過測量電學量來間接計算電池產熱率，因此，需要在量熱儀中對電池的整體產熱率進行直接驗證，以確認產熱率測量結果的準確度。

3.3 熱模型精度的驗證方法

驗證實驗可以直接檢驗模擬結果的準確度，為模型改進提供參照。溫度是熱模型需要驗證的主要物理量。電池溫度測量可分為表面溫度測量和內部溫度測量兩部分。

表面溫度測量的手段包括紅外熱像儀[16]、熱電偶[17]等。其中，紅外成像儀可以測量溫度分布，溫度分辨率高，但其對應單點的測量準確度較低；熱電偶的測量準確度高于紅外熱像儀，但不能得到表面的溫度分布信息。

電池表面測量得到的溫度不能完全反映電池內部的溫度狀態(tài)，特別是在電池大型化后，由于電芯導熱系數不高，電池比熱容較大，內外溫度差異與分布更加明顯。因此，為了全面了解大型電池的內外溫度分布，驗證熱模型的模擬結果，需要開發(fā)電池內部的溫度測量方法。

Li等[28]在層疊式鋰離子電池中預埋了多支熱電偶，系統(tǒng)地研究了電池在不同散熱環(huán)境(絕熱、自然對流、強制對流)下以不同倍率放電時的內部溫度分布及演化。實驗結果表明，電池制作過程中預埋傳感器未對電池的性能造成明顯影響；對于厚度薄的層疊式鋰離子電池，電極平面內的溫度梯度遠大于電極厚度方向的溫度梯度。用熱電偶預埋測量電池內部溫度分布，為全面、嚴格驗證電池熱模型提供了可能。

4 電池熱模擬指導電池熱設計

通過比較不同結構、尺寸、熱電參數下的電池熱模擬結果，可以為電池熱設計提供參考。本部分將從結構設計、尺度設計和極耳等關鍵熱部件設計等方面介紹已有的一些熱設計結論。

4.1 電池結構設計

Inui等[17]采用了三維均一電流熱模型，比較了相同容量和體積的方形卷繞式與方形層疊式電池的溫度分布特點。模擬結果表明，扁平的層疊式電池在放電過程中的最高溫度低于卷繞式電池，1C放電過程中兩款電池的內部最高溫度相差10℃以上；疊片式和卷繞式設計對電池內部溫度分布的均勻性影響不大，1C放電過程中每款電池內部的最大溫差均在℃左右。

4.2 電池尺度設計

Al-Hallaj等[13]采用圓柱式電池的一維徑向模型，比較了依照長徑比相同原則進行容量依次放大后的幾款圓柱式電池在不同放電倍率下的徑向溫度差異；Inui等[17]采用了三維均一電流熱模型，比較了兩款體積相同、容量相同但長厚比不同的方形卷繞式電池其溫度分布情況的差異。

首先，電池尺度等比放大后，其同一放電倍率下的最高溫升明顯增加。Al-Hallaj等[13]指出,當電池容量從10Ah擴大至100Ah時，其C/2放電倍率下的最高溫升增長了10℃以上。

其次，保持電池的體積與容量不變，改變電池的長厚比(對于圓柱式電池為長徑比)也將影響電池的內部溫度分布情況。Inui等[17]將方形卷繞式電池的橫截面從正方形變?yōu)槊娣e相等的矩形(長厚比從1:1變?yōu)?:1)后，電池從100%SOC采用1C放電至放空時的最高溫度下降了約3℃左右。

4.3 電池關鍵部件設計

在18650等小型電池中，極耳的作用主要是收集集流板的電流，并與外界實現電聯接。極耳的個數、位置影響著電池的功率特性。對于能量型電池，常采用在極片兩端加兩片極耳的設計。對功率型電池，常需要在極片一側設置多個極耳[30]。對于大型動力電池，極耳不僅影響電池的電特性，也對電池內部的溫度分布有較大影響。Kwon等[15]指出，電池放電初始，極耳附近電流密度大、溫度高，然而，放電后期，極耳附近的溫度卻低于遠離極耳的端部溫度。Kwon等認為，在放電初始時，極耳附近的電流較大、反應劇烈、產熱較多、溫升迅速，而當放電持續(xù)進行一段時間后，極耳附近區(qū)域的荷電狀態(tài)明顯低于其他部位，此時，遠離極耳區(qū)域的電化學反應速率反而高于極耳附近區(qū)域，因此，在放電過程中后期，遠離極耳的端部溫度逐漸超過了極耳區(qū)域溫度。

Kwon等[15]還指出，極耳寬度增大時，電池在大倍率下的放電曲線更為平坦、放電后極板荷電狀態(tài)的均一性也較好。但是，過大的極耳寬度將縮小兩極耳間距、降低電流分布的均一性，因此，極耳的寬度存在合理的上下限范圍，設計電池時應通過對比實驗謹慎選取。

能量型層疊式動力電池中正負極極耳多設置在電池的同一側，功率型則多設置在對側。李等[28]提出，對于一款25Ah能量型軟包鋰離子電池，設置在電池同一側的正、負極極耳附近在放電過程中都是溫度較高的區(qū)域，其中正極極耳附近溫度更高，這是因為極耳在放電過程中起著匯聚電流的作用，靠近極耳區(qū)域的電流密度較大；另外，極耳會因為自身電阻而產生歐姆熱，對極耳附近區(qū)域也起到了加熱作用。兩種因素綜合作用使得極耳附近區(qū)域溫度較高。由于正極極耳(鋁)的電阻率大于負極極耳(銅鍍鎳)，正極集流體(鋁)的電阻率也要大于負極集流體(銅)，因此正極極耳附近的溫度還要高于負極極耳附近。

5 總結與展望

鋰離子動力電池的熱設計對于改善單體電池熱特性，提高電池系統(tǒng)熱安全性，降低熱管理系統(tǒng)復雜性至關重要。通過整理、分析電池熱設計領域的研究現狀，我們認為在產熱模型與測量方法、熱模擬與驗證及電池熱設計理論三方面存在以下亟待解決的科學問題。在這些問題上的突破，可望大大提高動力電池熱設計的能力。

在產熱模型與測量方法方面：

(1)電池大型化后，在內部物理量分布變得明顯的情況下，產熱率與過電壓間的對應關系有待驗證；工況復雜化后，頻繁地起停會引發(fā)混合熱等新現象。因此，大型動力電池在復雜工況下的產熱規(guī)律未必能用簡化后的Bernardi產熱模型進行描述，有必要進行深入研究；

(2)在產熱測量方法上，量壓法測量熵系數的實驗時間很長，有必要開發(fā)快速測量電池開路電壓的方法；在不可逆熱的測量中，需要比較已有的多種等效內阻測量方法；需要開發(fā)新方法測量混合熱；此外，還需要對上述測量結果進行量熱儀的驗證。

在熱模擬與驗證實驗方面：

(1)需要分析不同構型電池的溫度分布特征，確定各自面臨的主要熱問題；

(2)分析產熱、傳熱、散熱三種能力的決定因素，以及三種能力的大小、匹配對電池溫度分布的影響；

(3)建立適用于不同使用場合的不同復雜度的多種電池熱模型；

(4)對計算結果進行多物理量的內部、分布式驗證。

在電池熱設計理論方面：

(1)在傳熱系統(tǒng)設計的通用準則上，結合電池的特殊性提出電池熱設計的一般方法；

(2)比較大型電池電芯內部并聯與小型電池外部并聯兩種技術方案的優(yōu)劣，確定電池大型化后的容量理論上限；

(3)針對混合動力汽車，插電式混合動力汽車和純電動汽車的不同特點，提出適應于不同電動汽車用途的單體電池熱設計方案；

(4)比較圓柱形、方形層疊式和方形卷繞式電池的結構特點，探尋不同構型電池在熱特性上的本質優(yōu)缺點。

[1] 張劍波, 盧蘭光, 李哲. 車用動力電池系統(tǒng)的關鍵技術與學科前沿 [J]. 汽車安全與節(jié)能學報, 2012, 3(2): 87-104.

[2] Adams D, Berdichevsky E, Colson T, et al. Battery pack thermal management system: USA, US2009/0023056 A1 [P]. 2009-01-22.

[3] Saxon T. Plug in America’s tesla roadster battery study [EB/OL]. [2013-12-25]. http://www. pluginamerica.org/surveys/batteries/tesla-roadster/ PIA-Roadster-Battery-Study.pdf.

[4] Parrish R, Elankumaran K, Gandhi M, et al. Voltec battery design and manufacturing [R]. 2011-01-1360, SAE International, 2011.

[5] Ikezoe M, Hirata N, Amemiya C, et al. Development of high capacity lithium-ion batteryfor NISSAN LEAF [R]. 2012-01-0664, SAE International, 2012.

[6] Al Hallaj S, Maleki H, Hong JS, et al. Thermal modeling and design considerations of lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 1999, 83(1-2): 1-8.

[7] Onda K, Ohshima T, Nakayama M, et al. Thermal behavior of small lithium-ion battery during rapid charge and discharge cycles [J]. Journal of Power Sources, 2006, 158(1): 535-542.

[8] Khateeb SA, Amiruddin S, Farid M, et al. Thermal management of Li-ion battery with phase change material for electric scooters: experimental validation [J]. Journal of Power Sources, 2005, 142(1-2): 345-353.

[9] Wu MS, Liu KH, Wang YY, et al. Heat dissipation design for lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2002, 109(1): 160-166.

[10] Chen YF, Evans JW. Thermal analysis of lithiumion batteries [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1996, 143(9): 2708-2712.

[11] Chen SC, Wan CC, Wang YY. Thermal analysis of lithium-ion batteries [J]. Journal of Power Sources, 2005, 140(1): 111-124.

[12] Chen Y, Evans JW. Three-dimensional thermal modeling of lithium-polymer batteries under galvanostatic discharge and dynamic power prof i le [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1994, 141(11): 2947-2955.

[13] Al-Hallaj S, Selman JR. Thermal modeling of secondary lithium batteries for electric vehicle/ hybrid electric vehicle applications [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 341-348.

[14] Pesaran A, Duong T. Electrothermal analysis of lithium ion batteries [C] // The 23rd International Battery Seminar & Exhibit, 2006.

[15] Kwon KH, Shin CB, Kang TH, et al. A twodimensional modeling of a lithium-polymer battery [J]. Journal of Power Sources, 2006, 163: 151-157.

[16] Kim US, Shin CB, Kim CS. Modeling for the scaleup of a lithium-ion polymer battery [J]. Journal of Power Sources, 2009, 189(1): 841-846.

[17] Inui Y, Kobayashi Y, Watanabe Y, et al. Simulation of temperature distribution in cylindrical and prismatic lithium ion secondary batteries [J]. Energy Conversion and Management, 2007, 48(7): 2103-2109.

[18] Dees DW, Battaglia VS, Belanger A. Electrochemical modeling of lithium polymer batteries [J]. Journal of Power Sources, 2002, 110(2): 310-320.

[19] Verbrugge MW. Primary current distribution in a thin-film battery-application to power-density calculations for lithium batteries [J]. Journal of Electrostatics, 1995, 34(1): 61-85.

[20] Maleki H, Al Hallaj S, Selman JR, et al. Thermal properties of lithium-ion battery and components [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146(3): 947-954.

[21] Thermal hazard technology. Accelerating Rate Calorimeter [EB/OL]. [2013-12-25]. http:// www.thermalhazardtechnology.com/products/ accelerating+rate+calorimeter.

[22] Thermal hazard technology. Isothermal Battery Calorimeter [EB/OL]. [2013-12-25]. http:// www.thermalhazardtechnology.com/products/ isothermal+battery+calorimeter.

[23] 章熙民, 任澤霈, 梅飛鳴. 傳熱學 [M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[24] Fleckenstein M, Fischer S, Bohlen O, et al. Thermal impedance spectroscopy-a method for the thermal characterization of high power battery cells [J]. Journal of Power Sources, 2013, 223: 259-267.

[25] Zhang JB, Wu B, Li Z, et al. Simultaneous estimation of multiple thermal parameters of large-format laminated lithium-ion batteries [C] // IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2013: 1-5.

[26] Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A general energy-balance for battery systems [J]. Journal of the Electrochemical Society, 1985, 132(1): 5-12.

[27] Onda K, Kameyama H, Hanamoto T, et al. Experimental study on heat generation behavior of small lithium-ion secondary batteries [J]. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150(3): A285-A291.

[28] Li Z, Zhang JB, Wu B, et al. Examining temporal and spatial variations of internal temperature in large-format laminated battery with embedded thermocouples [J]. Journal of Power Sources, 2013, 241: 536-553.

[29] Huang J, Zhang JB, Li Z, et al. Comparison and validation of methods for estimating heat generation rate of large-format lithium-ion batteries [J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, accepted.

[30] Thomas BR. 電池手冊 [M]. 汪繼強, 劉興江, 等譯.北京: 化學工業(yè)出版社, 2007.

Thermal Modeling and Thermal Design of Iithium-Ion Batteries for Automotive Application: Status and Prospects

ZHANG Jianbo WU Bin LI Zhe
( State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Tsinghua University, Beijing 100084, China )

Thermal issues of lithium-ion batteries for automotive application are key factors affecting the performance, safety, life and cost of electric vehicles. In this work, the thermal management systems of three typical electric vehicles were analyzed to identify the importance of the thermal design for the single batteries. Special attention was paid to the review of the thermal modeling, which served as the fundamental method for the thermal design. Finally, the directions for further researches on the thermal modeling and thermal design were summarized.

lithium-ion battery; thermal modeling; thermal design; thermal management; electric vehicle

U 464.9

A

2013-11-20

國家自然科學青年基金項目(51207080)，清華大學校自主課題(2011Z01004)。

張劍波，教授，博士研究生導師，研究方向為車用燃料電池與鋰離子電池；吳彬，碩士研究生，研究方向為鋰離子電池的熱模擬和熱設計；李哲(通訊作者)，博士，研究方向為動力電池的熱模擬與熱設計、老化模型與狀態(tài)預測，E-mail：lizhe1212@gmail.com。