搜狐新闻|基于热管技术的锂电池箱热管理系统设计与实验验证( 二 )
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2、生热量计算
正常工况下 ， 单体电池采用1C长时间充放电稳态法求解 。 设置微分方程、边界条件 ， 经278次迭代求解 ， 得出单体电池在该工况下完全放电与完全充电总生热量分别为6.3723×104J和8.2373×104J ， 最大生热速率分别为53.1W和69.2W 。
热管理系统还应具有应对“热失控”的能力 ， 热失控一般由于电池内部短路引起 。 在前期发生局部短路 ， 正、负极局部接触使化学反应强度增大、温度升高 ， 在无有效散热条件下温度迅速增长 ， 一般锂离子电池隔膜熔断温度为177℃ 。 若隔膜熔断 ， 正、负极将大面积接触迅速产热、释放氧气甚至造成燃烧爆炸 。
对于“热失控” ， 本文采用典型的“针刺”短路模型模拟局部短路 ， “针刺”用来模拟当电池过度充放电、严寒低温情况下锂离子产生结晶枝杈穿破电池隔膜使正、负极内部导通短路 。
热失控情况下 ， 计算得出总生热量为5.760×105J ， 最大产热速率为6160W 。
3、电-热耦合关系
通过恒流法对电池荷电状态进行测试 ， 通过脉冲电流法对电池内阻、效率进行测试 。 并配合COMSOLMultiphysics有限元仿真辅助计算 ， 得到在充放电状态下荷电状态（SOC）、开路电压（OCV）、热功率（HeatPower）、效率（Efficiency）的关系曲线 ， 如图3~7所示 。
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通过分析不同DOD或SOC状态下的电池内阻和电解质盐迁移率 ， 可进一步分析电池的热力学特征 。
图3OCV曲线是磷酸铁锂电池的固有特性 ， 也是反映热力学状态的重要特征曲线 。 在曲线的初段（SOC<10%）和末段（SOC>90%） ， 线性度较高 ， OCV的变化率较大 。 初段时OCV较低 ， 电池内阻很大 ， 但会随着荷电状态的增加而减小；末段时OCV较高 ， 反映出活性化学物质减少、内阻较大的特征；在中间段（20%<80%）OCV变化极小 ， 称为“平台区” 。 在该电压范围内熵增达到极大值 ， 电池化学反应趋于平衡 ， 热力学特征较为稳定 。
图4显示放电效率随DOD的增加逐渐降低 。 达到深度放电之前 ， 由于电解质盐迁移率较高 ， 电化学反应的熵增过程明显、放电效率较高；在DOD=80%附近 ， 放电效率由于电解质盐迁移率减小而迅速下降 。
图5显示放电热功率随DOD的增加逐渐上升 。 随着放电深度增加 ， 反应活化物质减少、内阻增大 。 突出表现在放电深度的末段 ， 自DOD=70%附近迅速上升至70W ， 也与图4中放电效率的变化规律相吻合 。
图6显示电池充电效率随SOC的增加出现先升后降的缓幅变化 。 当电池处于充电状态：SOC<80%时恒流充电；SOC>80%时恒压充电 ， 充电电流近似指数式减小 。 充电效率与电池内阻、电解质盐迁移率、电流等多因素有关 。
充电效率相对放电效率略低 ， 仅“平台区”可达到0.8以上 。 由于电池内阻在初段迅速减小 ， 充电效率上升明显；随着SOC的增加 ， 电池内阻减小趋缓 ， 但内阻仍能主导充电效率的变化 ， 使其缓慢增加至0.85附近；当SOC继续增加 ， 电解质盐迁移率继续降低而导致充电效率缓慢降低 ， 转为恒压充电后由于电流快速减小而加剧了这一作用 。
图7显示充电热功率随SOC的增加先降后升 。 充电时非自发的化学反应具有吸热特性 。 充电初期 ， 反应剧烈且内阻减小 ， 充电热功率下降至20W附近达到极小；随着SOC增加 ， 吸热作用衰减、放热增强 ， 充电热功率上升 。
上述耦合计算结果可为进一步热仿真工作的样本组合、热源设置、散热器设计与性能验证提供理论基础 。
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