特斯拉电池NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车
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李生红 熊震 秦国锋 糜沛纹 劳晶晶
广西师范大学 广西桂林市 541000
摘 要： 锂离子电池的热安全性对于衡量电动汽车性能指标具有重要作用，建立电池的热效应模型能够有效设计电池热管理系统，改善电池散热效果，从而提高热安全性。本文对按照建模维数划分模型研究，包括集中质量模型、一维模型、二维模型、三维模型；对按照建模原理划分模型研究，包括电化学-热耦合模型、电-热耦合模型、热滥用模型，并对国内外关于热模型的研究发展进行展望。
关键词：锂离子电池 热模型 耦合模型 热滥用
1 引言
锂离子电池是一种拥有比其他类型电池更高的能量密度、电压、功率密度、更多循环充放电次数等优点的
二次电池。随着新能源汽车在我国市场的不断开拓，锂离子电池作为其核心部件之一，其热安全性是衡量电动汽车的重要因素之一。在2013-2014年，特斯拉工厂出现锂离子电池发生自燃现象，前后导致了共5次起火事故。而引发这场事故在于对电池温度的实时监控不当而导致的。温度对电池的影响不仅仅包括循环充放电的效率、容量大小、功率大小、可靠性、寿命长短、热安全性高低、工作状况，而且还会进一步影响电动汽车在行驶过程中的可靠性及安全性[1]。将锂离子的工作温度控制在一定的范围内能够有效避免电池自燃、爆炸等危险情况的发生。锂离子电池热模型的建立能够有效对电池在不同工作状态下进行实时监控与预测，是模拟电池温度场的重要工具。本文将详细介绍按照建模维数和建模原理划分电池热模型方式，并对国内外关于热模型的研究发展进行展望。2 充放电的生热机理
电池工作原理作为研究锂离子动力电池
生热机理的前提与基础，原理是：锂离子与
等量电子之间的相互嵌入和脱出称为电池的
充放电过程。充电时，锂离子由正极经电解
液运动到负极，嵌入负极小孔处，当数量增
多时，则表明电池的充电容量越大。同理可知：
电池放电时，经电解液从负极返回到正极的
锂离子数量增多时，则表明电池的放电容量
越大[2]。因此，锂离子在正负极之间的循环流
动实现了锂离子电池的充放电。
锂离子电池在充放电时的化学反应方程
式如下，M为金属元素：
正极：
负极：
总反应：
研究了锂电池的工作原理后，能够得出
锂电池的生热机理为：电池内部材料发生各
种化学反应所产生的热及克服一定的粒子循
环运动所受阻力产生的热量。同时，锂电池
的生热机理会因为不同的使用情况而产生不
同的热安全隐患[3]。当电池在自身温度高达
100℃时，SEI膜分解引发一系列的化学反应，
电池会自燃甚至爆炸；当过度充电时，会扰
乱了电池内部本身有序的化学反应的进行，
使得电池产生了多余的气体和大量的热；当
在短路甚至撞击等极端条件下，瞬间通过电
池内部的过大电流也将产生大量的热，从而
引发电池局部温度过高而破坏电极的正常热
反应的进行。
3 单体电池热模型分类
建立锂电池的热模型不仅是锂电池产热
研究的基础，而且还能在电池的热管理系统
的设计中发挥重要作用[4]。因此，想要了解锂
电池的热行为过程，要求研究人员在探索锂
电池热行为的过程中建立正确的热模型。
3.1 按建模维度划分
3.1.1 集中质量模型
集中质量模型是一种将电池视为一个质
点，创建起的简单的数学模型。该模型不仅
计算方便，还可对电池的整体性能及相关影
响因素进行研究。
BOTTE[5]等人在1998年建立了集中质量
模型，利用不同大小的负极粒径来研究传热
系数、电流密度、环境温度、正负极材料属
Overview of Research on Thermal Model of Lithium-Ion Battery
Li Shenghong Xiong Zhen Qin Guofeng Mi Peiwen Lao Jingjing
Abstract： T he thermal safety of lithium-ion batteries plays an important role for vehicles performance, and the establishment of the heating eff ect of the battery model can eff ectively design the battery thermal management system, improve the battery cooling eff ect, and thus improve the thermal security. In this paper, according to the modeling of dimension classifi cation of model studies, the paper classifi es model studies into lumped mass models of one dimensional model, of two-dimensional model, and three-dimensional model; according to the modeling principle, the paper divid
es the models into electrochemical-thermal coupling models, electrothermal coupling models, thermal abuse models, and the research and development of thermal models at home and abroad are put forward.
Key words：lithium-ion, battery thermal model, coupled model, thermal abuse
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性及密度在不同SOC下对电池温度场的影响。
FORGEZ[6]等人在2010年对圆柱形LiFePO4/石墨锂离子电池建立了集中质量模型，实验误差在1.5℃，表明了该模型在测量表面温度和内部温度的准确性。此外，该模型能够模拟所测量的电池的电流和电压。该模型的结构简单，能够运用到电动汽车电池的热管理系统中去。
集中质量模型虽然具有结构简答和计算简便的特点，却仅限于对小型电池的研究，这限制了研究者对电池更深一步的研究。
3.1.2 一维模型
一维模型的建立是将电池沿一个方向进行投影，其中大部分是沿厚度方向。
HAllAJ[7]等人在2002年使用了一维模型模拟了电池内部在充放电时的温度场。该模型基于索尼US18650电池的产热参数，模拟结果与大部分的放电速率相吻合。该模型适用于模拟在操作条件及冷却速率不同时，10Ah和100Ah电池的温度分布情况。
FANG[8]等人在2010年对电池建立一维热模型，用以预测在不同温度下电池及其电极的性能。为检测模型预测效果的有效性，将单个电极和3电极的电位数据进行比较，结果较为吻合。单电极的预测能力在电极退化及电池在极度低温下的性能等方面具有重要作用。
虢放[9]等人在2017年使用一维电化学模型，研究电极的不同厚度对电池在电化学性能方面的影响，其中包括循环充电和放电性能、倍率性能、电池容量。仿比对实验数据和仿真曲线可知，厚度不同的电极在倍率性能及容量衰变方面存在差异性。
一维模型仅仅研究电池在某设定电流下某一方向的产热，最终只能反映该方向上的温度分布情况，和实际电池的温度分布仍具有一定的差距。
3.1.3 二维模型
二维模型相比一维模型，是对电池某个截面上的温度分布规律进行研究。
2016年，仇磊[10]为研究影响单体电池和电池组温度分布的因素，提高电池的热安全性，对电池的单层电极创建了二维模型，并计算其在工作时的电场分布规律。同时，利用实验建立起电池的产热模型，实验结合仿真的方式验证了模型具有可靠性。
2018年，彭敏[11]等人为探究层叠式锂电池的温度具有随时间和空间位置不同而发生变化的特点，建立了电池的二维热模型来分析温度产生变化的原因。仿真分析表明，模
型在合理的参数条件下，能够有效描述电池
温度分布的特点。
二维模型通常用于分析电池某截面的温
度分布情况，研究在不同的冷却方式下，电
池内部温度场的分布规律。但热模型的建立
还会受电池质量、尺寸、外形参数、边界条
件等因素的影响，因此，需要建立更多维数
的模型对电池温度分布进行准确描述。
3.1.4 三维模型
三维模型的建立解决了二维模型只能对
某一截面进行研究的单一性。其具有能够建
立和实际电池模型相同的结构的特点，因此，
对大型电池的设计具有重要作用。同时，该
模型能够设置与修改电解液浓度大小、组成
成分、电极厚度等实际参数，使得模拟仿真
得到的电池性能更好，有助于进一步改进电
池的结构设计、管理方式、运行策略。
2005年,Chen[12]等人创建了一个详细的
三维模型来研究电池的热行为。该模型不仅
考虑了电池组不同的分层结构及情况还考虑
了两者之间存在的间隙。该模型的简化的误
差不大于0.54K，不仅描述在非对称情况下
电池内部的温度分布情况，而且也能预测电
池表面在使用了金属外壳时的异常温度。
2016年，李彩红[13]等人建立了锂电池的
三维生热模型，研究磷酸铁锂电池在不同倍
率下的温度场。研究表明，随着倍率的增大，
组成模组的单体间的温差也随之增大，破坏
了电池的热安全性。
3.2 按建模原理划分
3.2.1 电化学-热耦合模型
电化学-热耦合模型是一种从电化学反
应产生热量的角度来描述电池在正常工作时
所产生的热量的模型。当建立该模型时，首
先需要了解电池集流体周围的固、液相内的
离子浓度及其迁移速度等情况[14]。该模型最
早是由John[15]等提出，为研究电池电化学模
型奠定了重要基础。
GHALKHANI[16]等人在2017年为研究
电池的温度分布规律及电流密度分布，创建
了袋式锂离子电池的三维层电化学-热耦合
模型。利用实验结果验证该模型，得到的温
度场表明了，电池的正极片热量积累较多的
原因是：存在局部内阻及电池内部的电流分
布不均匀。
张志超[17]等人在2019年创建了一种三维
电化学-热耦合模型，研究电池内部的热特
性分布情况及电化学反应行为。仿真结果表
明，放电前，离极耳区域越近，温升速率越快，
越远则越慢；放电时，电流密度在电池的正
极极耳处最大，同时温度也是最高的；当放
电深入时，离极耳距离越远，反而温升速率
更大。
2020年，刘巧云[18]等人以26650 型磷
酸铁锂电池为研究对象，建立了电化学-热
耦合模型，模拟了电池在不同倍率下的温度、
散热率及产热率的热行为。
3.2.2 电-热耦合模型
电-热耦合模型对指导依据电池单体的
电压、电流分布规律来研究电池的温度场，
具有重要意义。这种模型不仅能够优化电池
极耳、外型、集流体等方面的设计，而且有
助于进一步分析电池的一致性问题。
GOUTAM[19]等人在2017年对20Ah镍
锰钴氧化袋型锂离子电池建立了二维电势分
布与三维温度分布的电-热耦合模型。该模
型不仅能够对处于恒流和动流状态下的电池
温度场进行准确预测而且能够适用于研究大
型电池组的热行为，这在之前的研究中尚未
深入探索。
2018年，宋文吉[20]等人建立了一种具有
分层结构特点的的电-热耦合模型 ，研究电
池容量变化对极耳处温度分布的影响。研究
表明：仅仅通过层叠方式使得电池容量增加
会加大对热管理的控制难度，因此，单独对
极耳进行强化换热和改变极耳的位置均可达
到降低最高温度的效果。
2020年，郭健忠[21]等人通过仿真分析和
风冷系统散热的实验对比验证了建立的电-
热耦合模型的准确性。风冷系统散热的实验
结果表明，电池组整体的温差不大于5℃，在
其正常工作的温度区间。
3.2.3 热滥用模型
电池在正常工作状态下通常是建立电化
学-热耦合模型或者电-热耦合模型，但往
往外界环境情况非常复杂，会导致电池出现
热失控现象，例如电池起火、发生爆炸等，
电池的热安全性成为电池汽车的一个必要衡
量要素。因此，热滥用模型的建立非常有必
要。该模型模拟处于某些极端情况下的电池，
基于传统产热模型，综合分析极端条件对电
池内部产热异常的影响。
Feng[22]等人在2016年，在能量守恒理论
基础上对大型的锂离子电池建立了三维的热
失控模型。通过实验的方式验证了模型的可
靠性，这为研究隧道的传播机理和更好的设
计热失控传播提供有利的保障。
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张培红[23]等人在2020年，对处于高温高湿度环境中的三元锂离子电池建立了热滥用模型。实验以恒定功率的电热炉作为外部施加热源，在660s后切断热源，同时，用 COMSOL仿真软件对电池进行实时模拟。研究结果表明，当相对湿度为50%时，初始的环境温度由20℃增大到40℃，热失控到来的时间会提起20.2%；当相对湿度在30℃由50%增大到100%时，电池的最高温度会增大37.2%。因此，在高温和高湿环境下，电池热失控而导致的热安全性行为的可能性会显著提高。
4 结论
综上所述，从20世纪90年代到21世纪，电池的热模型受到学者的广泛关注。锂离子电池热模型的发展经历了，由最早提出的将电池视为一个质点集中质量模型到对电池建立起复杂的三维热模型，从基于能量
守恒的电化学-热耦合模型到预测电池热失控行为的热滥用模型。锂离子热模型的建立不仅能够指导电池单体和电池组的设计，而且还能为热管理系统的优化提供有效的模型验证。
针对锂离子热模型未来的发展，笔者认为有以下几个发展方向：
（1）三维分层耦合模型的建立。大部分对耦合热模型的研究都倾向于二维模型和三维不分层模型，但实际的电池模型是三维分层结构，因此，需要建立一种三维分层的耦合模型，以此来提高准确对电池热效应进行模拟。
（2）模拟真实工况的必要性。实际电池的运行环境并非恒流，情况要复杂得多。因此，为了让模拟的温度场更接近与电动汽车在真实环境下的情况，应当研究在变电流或者电流密度不均匀分布下的产热情况和温度场分布情况。
（3）以实验为基础验证仿真模型的正确性。电池的热模型作为一种基于能量守恒等理论概念搭建起来的一种假想模型，需要基于相关实验的验证之后，才能保证该模型能够准确描述电池内部的温度场分布情况。
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