车用动力电池热防护与散热集成研究

陈 洁，杨 灿，窦汝振，李顶根

（1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074；2. 中国汽车技术研究中心，天津 300162）

车用动力电池热防护与散热集成研究

陈 洁1，杨 灿1，窦汝振2，李顶根1

（1. 华中科技大学 能源与动力工程学院，武汉 430074；2. 中国汽车技术研究中心，天津 300162）

针对车用动力电池组存在散热与热失控防护设计需求不一致的问题，提出了在电池组内交替安置隔热板与热管的集成热管理方案。利用 Mat1ab/Simu1ink 仿真软件以方形三元锂离子电池为对象建立电池组仿真模型，通过对比分析 4种热管理方案在正常和热失控两种工况下的性能优劣，验证此集成系统散热和热防护性能的可靠性。结果表明，此集成系统热管理性能明显优于单一的热管冷却系统或热防护装置，不仅可以有效提高电池组散热能力，改善电池组内部温度分布均匀性，同时能够延缓热失控传播，提高电池组运行安全性。

锂离子电池；热管冷却；热防护；热管理

锂离子电池以其大功率密度和高充电效率等优点被广泛应用于各种电动汽车。但锂离子电池能量储存部分与能量转化部分存在于同一空间，在过充电、针刺、碰撞情况下易引起连锁放热反应，造成冒烟、失火甚至爆炸等热失控事故。目前，锂离子动力电池组热失控事故时有发生，有关锂离子动力电池系统热失控的研究也不再局限于单体级别的热失控产生机理及特性方面，而是逐步扩展到由单体热失控触发继而传播到整个电池组的热失控安全问题。近年来，针对电池组的热失控传播问题主要通过热防护技术解决[1-2]。

热防护技术是在电池组内增加隔热层，以阻断热失控从失控单体向周围单体传播，降低了电池组的损害以及附带的破坏作用。Tes1a 公司在其汽车锂离子电池组的专利中设计了一种由隔热材料和弹性材料复合制成的隔离板，放置于电池模块不同列单体之间，以此来阻断相邻单体间的热失控传播。MUNIZ[3]提出了一种热防护措施，通过在方形电池单体之间设置隔热层，阻断失控单体向临近单体传热，同时，隔热层不完全封闭，单体之间留有对流通道，有利于失控单体产生的热量在整个电池包内散热，避免局部过热。这些专利列举的热失控阻隔措施较为详尽，但是针对添加隔离层后导致电池组散热性能降低的情况，一般的冷却系统很难满足散热需求。

YAN 等[4]提出了一种结合热防护和散热的复合板热管理系统，复合板由相变材料和隔热板组成，分析了正常工况下电池组的散热性能，同时以10 C 工况为例，分析复合板散热与隔热性能。但是相变材料的相变潜热有限，为达到散热效果，复合板厚度为10 mm，而且由于相变材料导热性能差，吸收的热量不易释放，影响其运行时的冷却性能。为了有效阻断锂离子动力电池系统的热失控传递，同时又能保证电池组高效散热，采用了基于热管冷却的热失控防护装置，并通过建模仿真，分别对正常工况和热失控工况下集成结构的散热与隔热性能进行分析，以验证该集成系统散热和热防护性能的可靠性[5-6]。

1 热防护与冷却散热集成系统

采用国内某公司生产的额定容量为 10 Ah 的方形三元材料锂离子电池作为研究对象，参数见表1。

基于热管冷却的热防护结构示意图如图1所示，它包括电池组、隔热板、热管组、冷却介质（图中未标出）。每两个电池单体之间错落放置热管组或热隔离层，达到均匀散热和有效阻隔的作用。其中，热管组设置为铜片-热管（4根并列）-铜片的夹层结构，铜片的作用是增强电池与热管之间的导热性能。为提高热管散热性能，热管蒸发段被挤压成3 mm 厚的平板，增大了与铜片的接触面积[7-8]。

图1 热防护结构示意图

基于热管冷却的热防护装置结构侧面示意图如图2所示。以中间一组隔热板-电池-热管-电池-隔热板为一个集成系统单元，给出一维热阻网络图。热阻网络图由RC电路表示，其中电阻代表热阻，电容代表比热容，电源代表电池单体的自发热量。

图2 热防护结构与原理示意图

正常运行时，电池单体连续产热，小部分热量通过隔热板传递到邻近的电池单体上，主要热量通过冷却方式散热。因此，要提高热管理性能，必须采取有效的散热手段。热管由于其高导热性、结构紧凑、形状可变的优点成为较有优势的冷却方式[9-10]。

当某电池单体触发热失控时，产热量骤增，散热量远小于产热量，热量向周围电池传递，会迅速引发周边电池大规模热失控，形成安全隐患。因此有必要在电池单体之间增加隔热板，减缓热失控的传播速度，为采取进一步消防措施争取时间。

2 热防护与冷却散热集成系统建模

为验证所提出的热防护与冷却散热集成系统的有效性，建立该系统的集总传热模型，对电池组正常运行工况和单体电池发生热失控时进行仿真研究。该模型将电池、隔热板和热管各层均视为具有质量、热容以及热阻的质点，通过计算电池的产热量和各个单元之间的传热量得到各部分的温度变化情况。

2.1 锂离子电池导热模型

针对电池组的热管理系统模拟主要侧重于各电池单体之间的温差分布，以及某单体触发热失控后在电池组中的传播情况，所以采用电池单体的集总模型。同时考虑到采用的电池沿 x、y方向的导热系数远高于 z方向的导热系数，将电池组简化为 z方向的一维传热模型。

2.2 锂离子电池热失控产热模型

锂离子电池的热失控包含了一系列复杂而剧烈的物理化学过程，其中的产热包括电池内部材料的分解，相互反应产生的化学反应热和正负极短路产生的焦耳热。

将单体电池视为一个集总的热源，其产热量包括化学反应热和短路产生的焦耳热[11]：

式中：Qr（t）为 化学 反应 产 热， J；Qj（t）为短路导致的焦耳热，J。Qr（t）满足：

式中：QSEI为 SEI膜分解产热，J；Qanode为负极分解产热，J；Qseparator为 隔 膜 分 解产热，J；Qe1ectro1yte为电解液分解产热，J；Qcathode为正极分解产热，J。其中，Qcathode（t）包括两项：

对任意反应x，其产热量取决于化学反应速率和单位反应的产热量，而各反应的反应速率满足Arrhenius 方程，具体可见文献 [3]。

焦耳热 Qj（t）可表示为：短路过程中释放的总热量，J；Tshort为发生短路的温度。对于本研究所建立的热失控传播模型，第一块单体电池因针刺导致短路引发的热失控，即在0时刻 发 生 短 路， 所 以 Tshort=T(0)。 其 它 电 池 由 于 隔 膜受热分解引发热失控，所以 Tshort=160 ℃为隔膜崩溃的温度。

2.3 热管模型

2.3.1 热管的结构

热管结构与原理如图3所示，从外到内分别为铜壳、毛细芯和蒸发腔。热管的一段为蒸发段，由直径 8 mm 的圆柱体压成 3 mm 厚的平板以减少热管与铜片的接触热阻；中间段为绝热段；另一段为冷凝段。当热管的一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料利用毛细作用流回蒸发段。

图3 热管结构与原理示意图

考虑到模拟的时效性及针对性，以及方便热设计者们进行热管对于电池热管理系统的传热研究，有必要在保证模拟精度的前提下合理简化模型。PRASHER 等[6]在毛细芯完全充满液体、毛细芯内无蒸发的条件下提出了热管固体等效模型，即将热管看成由铜壳、毛细芯、蒸汽核三部分固体组成的三明治结构，并通过试验验证其可行性。YE 等[7-8]采用该简化固体模型研究快充条件下的热管冷却情况，其结果与试验值基本吻合。

图3中还给出了简化热管的等效热组图，热量传递分为径向和轴向两方面。径向来看，热量在蒸发段依次经过铜壳、毛细芯到液汽表面，在冷凝段则相反，其中毛细芯热阻较大为主要热阻，液汽表面热阻较小可忽略不计；轴向来看，毛细芯热阻较大，属于低导热区简化为断路，而蒸发腔内蒸汽轴向传递系数非常高，热阻几乎忽略不计。

2.3.2 铜壳

由于铜壳在模拟中的热传递方式是纯热传导，所以直接取铜的密度、热传导系数、比热容等热参数值。

2.3.3 毛细芯

目前选择的热管载热能力上限高于本研究的正常工况热负荷，所以运行过程中不会出现冷却液蒸发干的情况。本文引用 CHI等[12]基于假设毛细芯主体可以看成是在多孔结构充满液体的条件下，提

式中：k1和 ks分别为工作液体热传导和烧结铜粉多孔毛细结构的热传导系数；ε为孔隙率，其值为 0.5。

毛细芯的密度和比热容分别通过平均体积法计算，包括毛细芯和相变液体两部分：

式中：ρwick、ρ1、ρs分 别为毛细芯、 相变液体和铜粉的密度，kg/m3；Cwick、C1、Cs分别为铜粉的比热容，J/（kg·K）。

2.3.4 蒸发腔

对蒸发腔内蒸汽的简化基于以下假设：蒸汽是不可压缩的；蒸汽流动处于层流充分发展段，随温度变化的压降遵循C1apeyron 方程以及理想气体定律。圆柱形热管内相变产生的蒸汽热传导系数可以简化为：温度区间在 20 ～ 45 ℃，设定热管内饱和蒸汽的温度为 40 ℃，计算得 kvapor=4.83×106W/（m·K）。

2.3.5 热管模型验证

由于热管模型比较复杂，这里仅对简化热管进行验证。热管采用分段的简化三层固体模型，其中冷凝段分为6段，绝热段分为2段，蒸发段分为7段。

YE 等[7-8]在热管蒸发段分别设置 18.6 W、28 W、38 W 恒定热源，用试验的方式得到随热管沿长度方向的温度分布。同时采用上述简化三层固体模型仿真，模拟结果与试验结果一致。为验证所采用模型的可靠性，设置热管的边界条件与文献 [8] 中的相同，并以文献 [8] 中采用的模型所得到的温度曲线为参考值。仿真结果如图4所示，在不同热源条件下热管随长度方向的温度曲线与参考值基本吻合。当蒸发段输入功率较大时，模拟结果略低于参考值；而随着蒸发段输入功率降低，即电池组运行工况接近于正常工况时，模拟结果几乎与参考值重合。

图4 热管模型仿真验证

2.4 隔热板参数

目前采用的隔热材料有泡沫塑料、超细玻璃棉、高硅氧棉、真空隔热板等。电池组内隔热板主要考虑耐高温、防振动、不产生有毒气体而且质轻价低，同时由于其具有均低导热性，本研究采用的隔热板导热系数约为 0.002 W/（m·K）。

2.5 边界条件

电池与环境之间主要通过对流换热与辐射换热，因此换热系数h主要由两个因素决定，分别为对流换热系数 h1以及辐射换热系数 h2，其中h1约为 10 W/（m·K），h2由以下方程确定：

3 仿真结果分析

为简化计算，这里取6个电池为一组，使用Mat1ab/Simu1ink 软件搭建一维电池组热模型。为验证该集成系统的散热和阻热性能，分别与其它不同方案对比。其中，方案一代表电池单体间不添加任何散热隔热措施，方案二代表电池单体间安置隔热板，方案三代表电池单体间安置热管组，方案四代表单体间错落安置隔热板与热管组。

3.1 正常工况下的温度分布

为研究集成系统正常工况下的散热性能，分别考虑了 1 C、3 C、5 C、10 C 等不同放电倍率下，电池组在同一放电工况下工作时的温度分布。

由图 5 可知，4 种不同方案在 3 C 放电时的温度分布，由于电池组是对称结构，图中只显示出了ce111、ce112、ce113 的温度随时间变化曲线。由图可知，方案一与方案二的温度分布趋势基本相似，且最高温度在 1 200 s 时均为 57 ℃左右。这表明仅依靠增加隔热板并不能改善电池散热，因为此时各电池单体之间产热量相近，而两侧电池单体的空气接触面较大，受到自然对流及热辐射作用较强，中间电池单体需要向两侧电池单体传热，而隔热板的存在阻断了这一热量传播过程。相比于方案一与方案二，方案三与方案四达到稳态的时间较短，同时，最高温度较低，分别降低了 12 ℃和 10 ℃。这表明热管冷却可以有效带走热量，保证电池组运行的散热性能。除方案三外，其它方案电池组内电池单体最高温度都在中心，两侧电池温度较低。方案三由于内部热管冷却量远高于周边的空气对流及辐射换热，随着时间增加逐步呈现中心温度低于两侧温度的现象。

图6 方案二和方案四下电池组内最高温度以及最大温差比较

由图6可知，方案二与方案四在不同放电倍率下电池组最高温度与最大温差随时间分布。在方案二中，随着放电倍率增大，放热明显增加，导致最高温度与最大温差随放电倍率迅速增长。当放电倍率由 1 C 增到 10 C 时，最高温度由 43.4 ℃增至 91.5 ℃，最大温差则由 5.4 ℃降至 4.1 ℃。因为隔热板阻碍电池单体间传热，放电倍率越大，周边散热影响越小，中心电池温度骤升，与两侧电池间的温差则逐步减小。与此相比，方案四的温度随放电倍率增长缓慢。最高温度和最大温差分别由 41.07 ℃和 1.379 ℃增至73.22 ℃和 2.417 ℃。根据 LING 等[10]的总 结，正常工况下锂离子电池最高温度不易超过 45 ℃，以及PESARAN 等[11]的总结，电池组内最大温差不宜超过 5 ℃，在 3 C 放电倍率下方案四基本满足条件。

3.2 不同模式的散热性能对比

图7表示4种方案下电池组内最高温度及最大温差对比。如图 7a所示，方案一与方案二的最高温度基本相似，表明仅通过设置隔热层和外部对流散热不能加强散热性能。与此同时，方案三和方案四的散热性能明显比前两者好。

由图 7a可知，随着放电倍率增大，方案四的最高温度一直略高于方案三，在 10 C 时，温差有增大的趋势。由于热管带走热量的多少与热管数量密切相关，方案四要兼顾热失控隔热，将方案三中部分热管置换为隔热板。而由图 7b可知，当放电倍率由 1 C 升至 10 C 时，方案三的最大温差由 0.94 ℃骤升至 7.56 ℃，而方案二最大温差变化平稳。考虑到电动车正常运行工况在 3 C 以下，且方案四随工况变化温差较小，表明电池组温度散热性能更稳定高效。

图7 不同方案下电池组内温度分布

图8 不同方案下单体电池热失控触发时间

3.3 热失控时的热性能分析

当热失控触发后，分析4种方案对于热失控的阻断作用，同时探究隔热板厚度分别为 1 mm 和2 mm 时对热失控传播的影响。

由图 8 可知，四种不同方案下 ce111 电池单体触发热失控后触发 ce112 到 ce116 发生热失控的时间。方案一与方案三在热失控触发后，热失控迅速传播，ce111 到 ce116 相继在 500 s 内发生热失控。方案三发生热失控的时间比方案一稍慢，这是因为热管冷却能够带走部分热量，但在短时间内转移热失控爆发热量的能力有限，在没有防护措施的辅助下热失控传播只能比方案一延迟几十秒。同时由于热管外壳为铜，有利于相邻电池之间传热，促使热失控迅速蔓延。对比结果显示，方案二阻热作用最好，热失控以稳定速度从 ce112 传播到 ce116，电池单体之间触发约需 700 s，由此可见隔热板对于热失控传播阻断效果明显。

方案四阻热效果明显高于方案一与方案三，但低于方案二，同时时间随电池单体传播顺序呈梯度变化。主要由于隔热板热传导系数较小，两侧电池单体温差较大且热失控传播较慢，耗时明显长于隔热板之间电池单体的传播时间，分别约为 790 s和 72 s。

表2 四种不同方案下电池组内各单体的最高温度 Tmax单位：℃

4种不同方案下热失控触发后电池组内各单体的最高温度，以及改变方案四中隔热板厚度对热失控的影响，见表2。由表可知，方案二热失控时达到的最高温度远高于其它方案，其中 ce113 的最高温度高达 924.6 ℃，因为设置隔热板虽然有利于电池组阻热性能，却增加了散热难度，中间电池单体散热性能变差，增加了热失控电池起火的风险。方案三和方案四则明显降低了热失控触发后的最高温度，以 ce113 为例，分别下降了 85.5 ℃和 88.3 ℃。方案四的 ce112 和 ce114 在热失控传播过程中的最高温度呈现小幅度上升，因为隔热板阻断相邻电池单体之间传热，隔热板前的失控电池单体会出现少量聚热现象。

为了分析隔热板厚度对热失控传播的阻断影响，将隔热板厚度由 1 mm 增至 2 mm。由表 2 可知，热失控由 ce111 传递到 ce112 之后就不再传播了，因为隔热板低导热性延缓了失控电池的传热速度，为快速散热提供了时间，在热失控还未传递到临近电池之前失控电池单体就被有效冷却了。

4 结论

以热防护与散热集成系统为对象，以模拟仿真为主要研究手段，对4种方案下正常工况与热失控时电池组的散热与隔热性能进行分析，对比验证该集成系统的热管理性能，并探究了隔热板厚度对于热失控传播的阻隔作用，得到以下结论。

（1）四种方案对比表明，方案二阻热性能突出，可有效延缓热失控传播，但是散热性能较差，仅仅依赖隔热板和自然散热无法满足电池组热管理需求。方案三散热性能良好，但随着放电倍率增大最大温差骤升。同时，热失控触发后阻热性能远低于方案二和方案四。而方案四不仅大大增强了电池组的散热能力和电池组内各单体温度均匀性，其高隔热性能还可有效阻断热失控传播。

（2）通过改变隔热板厚度，增强电池组散热能力，可有效阻断热失控传播。当隔热板厚度由1 mm 增加到 2 mm 时，在保证热管正常工作的前提下，可将热失控阻断在隔热板之前。

（3）合理的隔热措施与冷却方式相结合不仅能有效提高电池组工作温度区间的稳定性，还能有效阻断热失控。可在以后的研究中考虑将圆柱热管改为平板热管与隔热板集成，减少冷却装置的占用空间。

（References）：

［1］WU P，ROMBERG J，FENG X，et a1. Therma1 Runaway Propagation within Modu1e Consists of Large Format Li-Ion Ce11s[C]// Proceedings of SAE-China Congress 2015：Se1ected Papers，2015：117-123.

［2］宋军，夏顺礼，赵久志，等 . 一种纯电动轿车电池组冷却系统设计及仿真究 [J]. 汽车工程学报，2015，5（1）：51-56. SONG Jun，XIA Shun1i，ZHAO Jiuzhi，et a1. Design and Simu1ation of Battery Coo1ing System for a Pure E1ectric Car [J]. Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2015，5（1）：51-56.（in Chinese）

［3］MUNIZ T P. Preventing Ce11 Therma1 Runaway Propagation Within a Battery：U.S.，8993145[P]. 2015-3-31.

［4］YAN J，WANG Q，LI K，et a1. Numerica1 Study on theTherma1 Performance of a Composite Board in Battery Therma1 Management System[J]. App1ied Therma1 Engineering，2016，106：131-140.

［5］TRAN T H，HARMAND S，DESMET B，et a1. Experimenta1 Investigation on the Feasibi1ity of Heat Pipe Coo1ing for HEV/EV Lithium-Ion Battery[J]. App1ied Therma1 Engineering，2014，63（2）：551-558.

［6］PRASHER R S. A Simp1ified Conduction Based Mode1ing Scheme for Design Sensitivity Study of Therma1 So1ution Uti1izing Heat Pipe and Vapor Chamber Techno1ogy[J]. Journa1 of E1ectronic Packaging，2003，125（3）：378-385.

［7］YE Y，SHI Y，SAW L H，et a1. Performance Assessment and Optimization of a Heat Pipe Therma1 Management System for Fast Charging Lithium-Ion Battery Packs[J]. Internationa1 Journa1 of Heat and Mass Transfer，2016，92：893-903.

［8］YE Y，SAW L H，SHI Y，et a1. Numerica1 Ana1yses on Optimizing a Heat Pipe Therma1 Management System for Lithium-Ion Batteries During Fast Charging[J]. App1ied Therma1 Engineering，2015，86：281-291.

［9］蔡飞龙，许思传，常国峰 . 纯电动汽车用锂离子电池热管理综述 [J]. 电源技术，2012（9）：1410-1413. CAI Fei1ong，XU Sichuan，CHANG Guofeng. Therma1 Management Techniques of Lithium-Ion Battery Pack for E1ectric Vehic1es[J]. Journa1 of Power Sources，2012（9）：1410-1413. （in Chinese）

［10］DUNN P D，REAY D A. Heat Pipes[M]. UK：Pergamon Press，Oxford and New York，1978.

［11］PESARAN A A. Battery Therma1 Mode1s for Hybrid Vehic1e Simu1ations[J]. Power Sources，2002，110（2）： 377–382.

［12］CHI S W. Heat Pipe Theory and Practice[M]. Washington DC：Hemisphere Pub1ishing Corporation，1976：256.

作者介绍

责任作者：陈洁（1990-），女，江苏盐城人。硕士研究生，主要从事电池热管理设计及热仿真计算。

Te1：13429861126

E-mai1：1213280124@qq.com

Study on an Integrated Lithium Battery System in EV Combining Cooling and Thermal Runaway Protection

CHEN Jie1，YANG Can1，DOU Ruzhen2，LI Dinggen1
（1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2. China Automotive Technology and Research Center，Tianjin 300162，China）

Aiming at the contradictory requirements of cooling and thermal runaway protection, an integrated lithium battery pack combining cooling and thermal runaway protection had been proposed. The prismatic MnNiCo ternary battery was taken as research object and a simulation model was built based on Matlab/Simulink. The performances of four thermal management schemes under both normal and thermal runaway conditions were discussed respectively to verify the reliability of the integrated system. The analysis shows, the performance of this integrated system is clearly superior to that of a single heat pipe cooling system or other thermal protection devices. It can not only improve the uniformity of temperature distribution, but also delay the spread of a thermal runaway to adjacent cells, increasing the safety of battery pack operation.

lithium ion battery；heat pipe cooling；thermal protection；thermal management

TM911

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.02

李顶根（1977-），男，安徽桐城人。副教授，主要从事动力电池测控、动力机械电子控制技术研究。

2017-02-09 改稿日期：2017-03-03

“十二五”国家科技支撑计划重大计划（2015BAG17B02）

参考文献引用格式：

陈洁，杨灿，窦汝振，等 . 车用动力电池热防护与散热集成研究［J］. 汽车工程学报，2017，7(3)：167-174，187.

CHEN Jie，YANG Can，DOU Ruzhen，et a1. Study on an Integrated Lithium Battery System in EV Combining Coo1ing and Therma1 Runaway Protection［J］. Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：167-174，187.(in Chinese)

Te1：027-87542418

E-mai1：1idinggen@hust.edu.cn