考慮到空間的利用效率和電池組熱控系統(tǒng)的特點(diǎn)，目前乘用電動汽車電池組普遍采用了方形鋰離子電池，相比于圓柱形鋰離子電池，方形鋰離子電池在熱特性上具有其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢。英國華威大學(xué)的Thomas Grandjean等[1]針對大容量的方形鋰離子電池進(jìn)行了研究，Thomas Grandjean發(fā)現(xiàn)隨著鋰離子電池尺寸的增大，電池內(nèi)極片層數(shù)增加，電池的散熱受到一定的阻礙，因此會在電池內(nèi)部垂直于極片的方向和水平方向存在一定的溫度梯度，這也會為電池組的熱管理系統(tǒng)帶來不小的挑戰(zhàn)。

 

為了了解大尺寸方形鋰離子電池的熱特性，Thomas Grandjean針對商用20Ah方形LFP電池在不同的放電倍率下，電池內(nèi)的溫度梯度分布進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和電池的放電電流都對電池的溫度都有密切的關(guān)系，下表詳細(xì)介紹了在不同的放電電流和環(huán)境溫度下電池的溫升。從下列數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境溫度越低，放電倍率越大則溫升越大。

 

在鋰離子電池內(nèi)部電流分布和散熱受到電池結(jié)構(gòu)、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均勻性。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(nèi)的溫度分布是極不均勻的，電池中間部分溫度要遠(yuǎn)高于其他部分，極耳部分則在大多數(shù)條件下溫度都是最低的（主要是與導(dǎo)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(chǎn)熱較大，導(dǎo)致其溫度較高。

 

 

由于受到極片熱導(dǎo)率較小的影響，在垂直電池方向上Thomas Grandjean發(fā)現(xiàn)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(cè)表面的溫度差值可達(dá)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(dǎo)致電池在使用過程中電流分布和SoC的不均勻，導(dǎo)致局部老化加速，進(jìn)而影響電池的使用壽命。

 

電動汽車在使用的過程中會面臨著啟動、急加速等特殊情況，需要鋰離子電池進(jìn)行大電流的放電，由于鋰離子電池極化和歐姆阻抗的存在導(dǎo)致電池在大電流條件下產(chǎn)熱極速增加，因此對于大電流下的大尺寸電池的熱特性研究也是鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中需要關(guān)注的重點(diǎn)。戴姆勒汽車公司旗下生產(chǎn)鋰離子電池的子公司Dt. ACCUmotive GmbH& Co KG（為梅賽德斯-奔馳提供動力電池）的C. Veth等[2]對50Ah方形電池在大電流下的熱特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為電池的電-熱模型的建立提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并為預(yù)測大尺寸電池內(nèi)的溫度、電流、電壓、SoC和SoH的分布提供數(shù)據(jù)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(jié)束585s），從圖上可以看到放電開始的時候高溫區(qū)主要在靠近負(fù)極極耳的一側(cè)，這主要是因為銅箔比較薄，導(dǎo)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(qū)轉(zhuǎn)移到了電池的中間部分。

 

 

C. Veth同樣發(fā)現(xiàn)在電池組內(nèi)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。

 

鋰離子電池不同的老化模式會對電池產(chǎn)生不同的影響，這也會對鋰離子電池在大電流下的熱特性產(chǎn)生影響，C. Veth研究發(fā)現(xiàn)不同的電池老化模式會對鋰離子電池的熱特性產(chǎn)生截然不同的影響，下圖中分別為日歷老化的電池（圖a），大電流循環(huán)老化電池（圖b），小電流循環(huán)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(qū)域也有所不同，日歷老化的電池由于存在氣室，導(dǎo)致在電池的邊角處存在一個非活性區(qū)，高倍率循環(huán)老化電池在負(fù)極極耳位置附近存在內(nèi)阻增加的非活性區(qū)域，在低倍率循環(huán)電池中這一現(xiàn)象更加顯著，內(nèi)阻增加的非活性區(qū)域僅一步擴(kuò)大。