寧德時代CTP電池包的熱特性研究

2020年9 月 26 日，寧德時代發(fā)布了全球首款 CTP 電池包。 CTP 技術(shù)跳過電池模塊的過程，將電池直接集成到電池組中。 CATL 第一代CTP1.0電池包將體積利用率提高 15%~ 20%，生產(chǎn)效率提高一倍，并將電池組的零件數(shù)量減少 40%。 同時，電池組的能量密度將從普通傳統(tǒng)電池組的 140-150Wh/kg 躍升至 200Wh/g 以上。 隨后，陸續(xù)發(fā)布了CTP2.0和CTP3.0麒麟電池，電池性能不斷提升。

鋰離子電池的熱管理一直是電動汽車開發(fā)中的一項關(guān)鍵任務(wù)，電動汽車電池的熱特性可分為不同的放電速率和不同的冷卻方式，但CTP電池組沒有模組，而是直接由電芯組成，因此CTP電池的高低溫區(qū)分布與傳統(tǒng)電池組不同。 CTP對電芯一致性要求較高，增加了熱管理的難度。 清華大學(xué)歐陽明高院士和馮旭寧課題組對寧德時代的第一代CTP電池包展開了一系列的熱特性研究，首先他們在電池組內(nèi)布置大量的熱電偶，測試各種不同工況條件下的電池包內(nèi)部溫度分布，重現(xiàn)了電池包的溫度場； 然后針對CTP1.0電池的熱-電化學(xué)性能開展了計算機模擬研究；最后研究了電池的熱失控以及熱失控蔓延過程。

寧德時代CTP1.0電池結(jié)構(gòu)

電池包結(jié)構(gòu)如圖1所示，大概尺寸為 2 m × 1.6 m × 0.5 m，包括五個單元M1、M2、M3、M4和M5，M1至M3平行分布，M4和M5垂直分布。 每個模塊由18個單體電池并排兩列、串聯(lián)組成，整個電池包由 90 個串聯(lián)的電池組成。 模塊兩端有兩個鋁制端板，用鋼帶綁扎，固定電池，防止電池產(chǎn)生變形。 每個模塊上方都安裝了防火隔板。 每個電池之間有一個 2毫米厚的橡膠隔板, 起到固定電池、緩沖振動的作用。 電池底部用結(jié)構(gòu)膠固定在鋁制液冷板上，電池和液板之間導(dǎo)熱膠大概2毫米，液冷板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，冷卻液的流向分為兩部分，冷卻液從進口進入后，流經(jīng)不同的模塊，從出口流出。 CTP電池包標稱電壓332.1V，產(chǎn)品能量50.8kWh，產(chǎn)品重量320kg。

單體電池如圖1所示，尺寸為 148 mm × 103 mm × 76 mm，材料體系為C|| NCM523，電池標稱容量156Ah，比能量208Wh/kg，體積能量密度470Wh/L。 電池內(nèi)部有四個卷芯，并聯(lián)裝入電池殼內(nèi)，頂蓋上有正、負極極柱和泄壓閥。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)圖、冷卻地板結(jié)構(gòu)和單體電池結(jié)構(gòu)

CTP電池包內(nèi)部溫度分布

如圖2所示，在電池包內(nèi)布置120個T型熱電偶，溫度范圍為-200°C~150°C，熱電偶精度為0.5°C。 每個模塊內(nèi)，溫度探測點呈梯形分布，梯形的上頂點溫度點固定在位于模塊上方的單元母線上，兩個下頂點固定在液冷板表面。 每個單元沿單元的X方向包括三個梯形分布。 對于 M1 到 M3，每個梯形的底端與相鄰單元共享相同的溫度點。 CTP電池包內(nèi)，在模塊上方的防火板內(nèi)外均設(shè)有溫度測試點，每個模塊的兩個側(cè)面也分別設(shè)置了一個溫度點。 如圖2所示，紅色三角形代表單元母線溫度，綠色方塊代表液冷板表面溫度，黃色菱形代表電池側(cè)面溫度。 此外，紫色表示原來的 BMS的10個測溫點。

HIOKI LR8410數(shù)據(jù)采集儀用于數(shù)據(jù)采集，采集頻率為1s。 BMS自動采集CTP中原測溫點的溫度。 測試前，按照以下步驟準備CTP電池：①將測試包以1/3C恒流充電至單體最大電壓4.25 V，靜置5 min，充電至當單體最大電壓達到4.25V時電流在0.05C截止。 ②電池擱置30min，③以1/3C的恒定倍率放電至截止條件。 ④電池擱置30min，⑤重復(fù)步驟①至④兩次。 如果連續(xù)兩次放電容量偏差不超過3%，則認為測試樣品已完成準備； 否則，更換測試樣品并重復(fù)準備步驟。

圖2 熱電偶溫度傳感器布置圖

通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和改變充放電電流來實現(xiàn)不同的工作條件，詳細測試工況如表1所示。

對于高速行駛+快速充電工況下，電池包溫度演變過程如圖3所示。 CTP內(nèi)部溫度最高的區(qū)域是單元上方的母線，對應(yīng)于M4上的位置4-11（43.4°C），母線溫度比電池的側(cè)面溫度高 3°C。 BMS數(shù)據(jù)顯示，溫差范圍為0°C至3°C，最高溫度位于位置3 (42°C)，最低溫度位于位置 6 (39°C)。 熱電偶采集最高溫度比BMS采集記錄的最高溫度高3.4°C。 CTP電池包內(nèi)部溫度在第一個循環(huán)結(jié)束時最高。 最大升溫速率為0.045°C/s，出現(xiàn)在第一個快速充電的開始。

圖3 高速行駛+快速充電工況下電池包溫度演變過程

考查實驗測試溫度和BMS采集溫度的差異，定義兩者溫度差（T~ diff~）為實驗測試溫度（T~ test~）減去BMS采集溫度（T~ BMS~）。 不同工況條件下，電池包內(nèi)測試和BMS采集的最高溫度、最低溫度以及他們的溫度差異列入表2中。 當環(huán)境溫度為 40 °C 時，100 km/h（6% 斜坡）導(dǎo)致 CTP 中的溫度高達 49.5 °C，最大溫升速率d T/ d t (max)為0.05 °C/s，這是所有操作條件下的最高溫度。 高速行駛(TSD≥150 km/h)導(dǎo)致CTP高溫( T test(hig) )達48℃，d T/ d t (max)為 0.043 °C/s。 瞬態(tài) d T/ d t (max)趨勢：100 km/h (6% ramp, 40 °C)爬坡>FC(40 °C, 25 °C,-30 °C)快充和HSD (-30 °C) )低溫高速行駛>TSD (40 °C)>HSD (25 °C)>FC(-7 °C)>NC(-30 °C)。

當環(huán)境溫度≥25℃時，運行工況下高低溫區(qū)的實際溫度均高于BMS采集，溫差T diff為 2.7–7.5 °C。 當溫度<0℃時，測得的高溫區(qū)溫度與BMS基本相同，最大誤差為1.6℃。 但在低溫環(huán)境下，BMS測得的低溫區(qū)溫度高于測試溫度，誤差為2~4℃。 環(huán)境溫度越低，誤差越大。

全工況下的測試表明，低溫區(qū)位于M1和M3模塊，高溫區(qū)在大電流條件下位于M4，在低電流條件下位于M2，如圖4所示。 根據(jù)溫度測試結(jié)果，對BMS溫度采集點進行了優(yōu)化，結(jié)果如圖5所示，優(yōu)化后所采集的溫度包含了各種工作條件下可能的高溫區(qū)和低溫區(qū)。

圖4 CTP電池包溫度分布

圖5 CTP電池包BMS溫度采集點優(yōu)化

此外，還研究分析了環(huán)境溫度、行駛速度、路況、充電電流和液冷等對電池包溫度響應(yīng)的影響，結(jié)果如圖6-10所示。 快速充電+高速行駛工況下環(huán)境溫度對電池包溫度響應(yīng)的影響如圖6所示，-30°C 快充（FC），CTP 頂部區(qū)域的溫度為 37.1°C，溫差T diff為 8.7°C； 電池側(cè)面溫度在33℃～39.5℃之間，溫差為6.5 ℃； 40°C 快充（FC），CTP 頂部區(qū)域高溫46.5°C，低溫43°C，溫差T diff為 3.5°C； 側(cè)溫在37.2 和 41.2之間，溫差為4℃； 低溫環(huán)境可能增加 CTP 中的溫度不均勻性，這主要是由于低溫環(huán)境導(dǎo)致電芯內(nèi)阻增加； 溫升速率，40 °C (0.036 °C/s)略高于 -30 °C (0.031 °C/s) 。

圖6 快速充電+高速行駛工況下環(huán)境溫度對電池包溫度響應(yīng)的影響

40℃下不同行駛速度對電池包溫度響應(yīng)的影響如圖7所示，150km/h的速度行駛10 min 時，CTP 內(nèi)部的最高溫度點達到 48 °C，模塊間母線的溫差T diff在 4 °C 以內(nèi)，電池兩側(cè)面的溫度差T diff在3°C以內(nèi)，在測試開始時溫升速率d T/ d t達到0.043°C/s。 80 km/h勻速行駛10分鐘時，CTP電池內(nèi)部溫度變化很小，上部母線溫差T diff在1°C以內(nèi)，側(cè)面溫差T diff小于2°C。

圖7 40℃ 下不同行駛速度對電池包溫度響應(yīng)的影響

不同路況對電池包溫度響應(yīng)的影響如圖8所示，6%斜坡上勻速行駛20分鐘后，CTP 內(nèi)部最高溫度達到 49.5 ℃，最低溫度為 44 ℃，溫差T diff為 5.5 ℃，電池側(cè)面溫度介于37和41°C之間，溫差T diff 為4°C，溫升速率d T/ d t (最大值)為 0.05 °C/s。 波動速度行駛，母線與側(cè)面的溫度變化趨勢一致，介于 34 和 36 °C 之間，溫差T diff為 2 °C，溫升0.002 °C /s 。 大功率驅(qū)動的CTP電池溫度較高，模塊M4的溫度一致性稍差。

圖8 不同路況對電池包溫度響應(yīng)的影響

不同充電電流對電池包溫度響應(yīng)的影響如圖9，1C充電時，M4單元溫度最高為47.3℃，M1最低為42.1℃。 溫差T diff為 5.2 °C 。 電池側(cè)面溫度在 40.7°C 和 43.2°C 之間，溫差T diff 為2.5 °C。 以/3C充電時，M2最高溫度35°C，M1最低溫度33°C，溫差T diff為2°C。 電池側(cè)面的溫度介于 33 和 35.1 °C 。 1C 充電的 d T/ d t (max)遠高于 1/3C 充電。

圖9 不同充電電流對電池包溫度響應(yīng)的影響

液冷對電池包溫度響應(yīng)的影響如圖10所示，關(guān)閉液冷1C放電結(jié)束時，CTP電池內(nèi)部溫度達到最高點46.8℃。 最高溫度在 M4 的位置4-11，最低溫度為 41.7 °C，位于 M1 的位置 4-5，溫差T diff為5.1 °C ，電池側(cè)面溫度在41.2 和43.8 °C 之間。 溫升速率d T/ d t (max)為 0.042 °C/s。 開啟液冷后，母線最高溫度由46.8℃降至45℃，最大溫差由5.1℃降至3.6℃。 側(cè)面最大溫差從2.6℃下降到1.4℃。

圖10 液冷對電池包溫度響應(yīng)的影響

CTP電池包模擬熱分析

電池內(nèi)阻、熵?zé)嵯禂?shù)和導(dǎo)熱系數(shù)等基本熱物理參數(shù)從實驗中獲得，然后結(jié)合電池?zé)崞胶夥匠毯蛢?nèi)部熱源非穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)理論，對發(fā)熱模型進行標定。 最后，基于熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，考慮底部液冷板的影響，建立CTP電池系統(tǒng)模型。 對CTP電池系統(tǒng)的熱特性進行了全面的探索和研究。 基于準確的電芯熱模型，建立了CTP電池包的數(shù)值計算模型，幾何簡化模型如圖11所示。

圖11 CTP電池包幾何模型

電池內(nèi)阻同時受SOC和溫度的影響。 通過實驗獲得電池物性和模型參數(shù)，將SOC分為10個區(qū)間，溫度從35℃到55℃分為8個區(qū)間進行HPPC測試，計算電池內(nèi)阻。 采用電位法測量電池的熵?zé)嵯禂?shù)。 圖12是不同溫度與SOC下電池內(nèi)阻以及熵?zé)嵯禂?shù)的關(guān)系。 將內(nèi)阻變化與SOC和溫度擬合成多項式函數(shù)關(guān)系，用于建立電池后續(xù)發(fā)熱模型。 熵?zé)嵯禂?shù)通過多項式與 SOC 進行擬合，然后輸入到發(fā)熱模型。

圖12 不同SOC和溫度下的電池內(nèi)阻和熵?zé)嵯禂?shù)

不同溫度和SOC的電池內(nèi)阻函數(shù)表達式為：

熵?zé)嵯禂?shù)函數(shù)函數(shù)表達式為：

采用加速量熱儀（ARC）測量電池的比熱容和熱導(dǎo)率，快速冷卻經(jīng)過加熱的電池測量對流換熱系數(shù)，結(jié)果列入表3中。 將這些參數(shù)輸入模型，先采用單體電池的熱模型與測試電芯在1C充電下的溫升對比驗證模型有效性。

為了與模擬結(jié)果對比，再次對電池包布置熱電偶測量不同工作條件下的溫度。 如圖13所示。 在 M1-M5上，每個模塊上有 5 個溫度傳感器。 例如，M1 上的溫度傳感器分別標記為 1-1、1-2、1-3、1-4 和 1-5。 這里M1-M5編號與圖1有差別，特別是M5模塊在M4上面（圖1中M4在M5上面）

圖13 電池包熱電偶布置圖

模擬結(jié)果如圖14所示，并與實驗結(jié)果進行了對比。

1C充電下， M5模塊5-5點溫度最高，達到47.07℃，其他測點溫度均低于45℃ 。

多級快充下，最高溫度出現(xiàn)在M5的5-4測量點，最高溫度達到43.71℃。 其他模塊最高溫度分別為40.75℃、41. 28℃、40.68℃和41.25℃。 模擬溫度一般高于測試溫度，最大誤差出現(xiàn)在M1，為13.7%。 M2-M4的最大誤差分別為11.6%、11.7%、12.2%、10.9%。

1C充電和開啟液冷下，M1-M5的最高溫度分別為40.05°C、40.73°C、39.75°C、39.8°C和41.57°C，與實驗結(jié)果一致。 由于冷卻管的設(shè)計，CTP的最高溫度出現(xiàn)在M5上。 但最大誤差出現(xiàn)在M3的3-3，達到12%，而其他部位最大誤差不超過10%。 三種工作條件下，M5模塊上18個電池的平均溫度如圖15所示。

1C充電下CTP電池包和液冷板表面溫度等高線

多級快充下下CTP電池包和液冷板表面溫度等高線

1C充電和開啟液冷下CTP電池包和液冷板表面溫度等高線

圖14 CTP電池包溫度分布模擬結(jié)果

圖15 M5模塊上18個電池平均溫度模擬結(jié)果

熱失控及其蔓延過程

最后對電池?zé)崾Э睾蜔崾Э芈舆M行了研究。 首先在單體電池內(nèi)卷芯之間插入熱電偶，過程如圖16所示。 在測試之前經(jīng)歷以下步驟處理電池：I 電池放電至 0 SOC； II 電池側(cè)板中心鉆一個直徑為 5 mm 的孔； III 用絕緣鎢鋼針擴大卷芯之間的間隙，將直徑為1 mm的K型熱電偶插入間隙； IV 在 4 卷芯間插入3個 K 型熱電偶； VI 用耐熱密封劑密封，并測試電池是否內(nèi)部短路； VII 修改后的電池充電100%SOC應(yīng)表現(xiàn)出正常性能。 整個過程在干燥室中進行（露點低于-40℃）。

圖16 單體電池內(nèi)卷芯之間插入熱電偶過程

在單體電芯內(nèi)部的放置一個熱電偶，采用EV-ARC對電池做絕熱加熱測試，電池?zé)崾Э氐湫瓦^程如圖17所示。 溫度曲線存在三個典型溫度：T 1，自生熱溫度， 與SEI 分解相關(guān)； T 2，TR 的觸發(fā)溫度； T 3，TR 期間的最高溫度。 溫度T＜T1（90.7℃）為第一階段，主要表現(xiàn)容量衰減，與SEI分解有關(guān)；T~ 1~ ≤ T ≤ T~ ISC~（235℃），第二階段，負極電解液反應(yīng)，放熱隔膜收縮，內(nèi)部大面積短路； 溫度達到T 2，第三階段，開始發(fā)生熱失控； T＞T 2，第四階段，內(nèi)部劇烈反應(yīng)，溫度快速上升到T3（>900°C）。

圖17 ARC測試時電池?zé)崾Э氐湫瓦^程及電池的溫度、電壓和溫升率演變

對比電芯內(nèi)部和表面的溫度演變曲線，如圖18所示。 從這兩個溫度曲線看，熱失控基本過程類似，但是內(nèi)部最高溫度比表面最高溫度高487℃。

圖18 電芯內(nèi)部和表面的溫度演變曲線

電芯內(nèi)部四個卷芯之間放置三個熱電偶，在防爆箱內(nèi)在電池的一個側(cè)面加熱，觀察電芯內(nèi)部的熱失控蔓延過程，實驗過程如圖19所示。 實驗結(jié)果如圖20所示，其中1-2、2-3、3-4分別表示內(nèi)部兩個卷芯之間的溫度，1F、1B、 1S分別表示挨著加熱板的電池前面、背面和側(cè)面的溫度。 V表示電壓。 從圖中可見，整個電池內(nèi)部的TR傳播過程耗時11 s，#1卷芯到2#卷芯耗時6 秒，到3#卷芯4s，再到4#1卷芯s； TR傳播的平均速度為6.9 mm/s。

圖19 電芯橫向加熱試驗過程

圖20 橫向加熱測試時電池的電壓和溫度演變

此外，還組裝了四個電池的基本模塊，對其進行橫向加熱測試，觀察電池的熱失控蔓延過程。 如圖21所示，四個電池組裝在一起，預(yù)緊力為2 N·m，相鄰電池之間沒有電連接。 加熱板和夾具之間有云母片，減少從夾具的熱量散發(fā)。 電池內(nèi)部和表面布置了 19 個 K 型熱電偶，同時采用數(shù)碼相機、FLIR紅外熱像儀等儀器觀測。

圖21 模塊橫向加熱測試過程

649 秒1#電池噴射火花， 779 秒2#電池開始排氣，908 秒3#電池噴火，1015 秒4#電池開始排氣。 電池內(nèi)部的TR傳播時間可以通過從電池正面到背面的熱失控時間差計算，電池#1 ～ #4 的 TR 內(nèi)部傳播時間分別為 19 s、20 s、18 s、20 s，與前面單個電芯的11s接近。 電池內(nèi)部卷芯達到的最高溫度分別為 925 ℃、912 ℃、914 ℃和 919 ℃。 電池#1～#2、#2～#3和#3～#4之間的TR傳播時間分別為129 s、120 s和112 s。

圖22 四個電池?zé)崾Э剡^程，F(xiàn)、B、 S、IN分別表示挨著加熱板的電池前面、背面、側(cè)面和內(nèi)部卷芯的溫度。

以上根據(jù)文獻資料簡單介紹寧德時代第一代CTP電池包的熱特性，更多詳細信息可閱讀參考文獻。

審核編輯：湯梓紅