2024年4月9日发(作者：壤驷华)
电动车锂离子电池参数测定及水冷仿真
田玉冬;李飞泉;徐志龙;黎教盛
【摘 要】The specific heat capacity and heating power under 0.5 C
discharge of the 18650 type Li-ion battery were specific heat
capacity was 995 J/Kg · ℃.The heating power changed along with the state
of charge (SOC).The reliability and practicability of parameters
measurement method were verified through the comparison of the
experimental and simulation heating power of the battery under
0.5-2.0 C discharge was thermal management of the battery
pack was carried out,the cooling water pipe was laid along the axial
direction of the was found that the optimal parameter of water
cooling under extreme conditions was 25 ℃,the flow rate was 10 cm/s
through the ANSYS simulation platform.%对18650型锂电子电池的比热容和
在0.5C放电下的发热功率进行测定,测得电池的比热容为995 J/kg·℃,电池发热功
率随着荷电状态(SOC)的变化而变化.通过实验和仿真的数据对比,验证参数测定方
法的可靠性和实用性.对0.5～2.0C放电下电池的发热功率进行测定.对电池组进行
热管理,采取沿着电池轴向铺设水冷管的方法进行散热,通过ANSYS仿真平台发现:
在极端条件下水冷的最佳参数为水温25℃,流速10 cm/s.
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2017(047)005
【总页数】5页(P265-269)
【关键词】18650型锂离子电池;发热功率;水冷参数;电动车
【作 者】田玉冬;李飞泉;徐志龙;黎教盛
【作者单位】上海理工大学机械学院,上海200029;上海建桥学院机电学院,上海
201315;上海理工大学机械学院,上海200029;上海理工大学机械学院,上海
200029;上海众力汽车部件有限公司,上海201109
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
锂离子电池作为动力电池，具有能量密度高、无记忆效应、自放电小和循环寿命长
等特点。由于功率需求，锂离子电池通常以串并联方式形成电池组，加上安装空间
的限制，单体电池之间的空隙被严重压缩，导致热量累积形成局部高温。不均匀及
过大的温度变化，影响着锂离子电池特性(如可用容量)，会导致电池的早期损坏与
热失控，甚至引发爆炸[1]。对动力电池进行有效的热管理十分必要。
动力电池的散热方式有风冷、水冷、热管冷却和相变材料冷却等。梁波等[2]采用
往复流动冷却方式，使冷却空气流动方向周期性逆转，以降低单向流动空气冷却方
式时单体电池沿空气流动方向的温度梯度，在1 C和3 C放电倍率下，电池的温
度均匀性分别提高了12.1%和62.4%。吴忠杰等[3]设计了夹套式液体冷却结构，
通过Fluent软件对流场进行模拟，当环境温度为23 ℃时，夹套式液体冷却结构
可将液体介质的最高温度控制在24 ℃以内；赵耀华等[4]提出用微通道阵列平板热
管技术优化锂离子电池散热，使电池组最高温度与不加微通道热管的相比，降低了
4.5 ℃；张国庆等[5]对相变材料(PCM)在电池热管理中的应用进行了研究，加入
PCM的情况与不加的相比，电池内部温度低了8 ℃。
本文作者直接对锂离子电池进行热功率测定实验，获取电池发热功率随荷电状态
(SOC)变化曲线，采用径向水冷管冷却方法，借助仿真软件进行水冷参数化研究，
获取最佳水冷参数。
1.1 锂离子电池传热方程
18650型锂离子电池由正极、正极集流板、隔膜、负极和负极集流板构成，负极、
隔膜和正极都为多孔材质，中间浸满电解液。电池内部为各材料按照一定的顺序层
层堆叠，每层都很薄，层数很多，直接建模非常困难。为了方便建模，进行假设：
电池内部物质均匀分布，发热均匀；电池的比热容和发热功率均不随温度变化。
现取电池内部的一个微元体进行分析，电池比热容为c、单体发热功率为s、密度
为ρ、导热率为λ。可推导出18650型锂离子电池柱直角坐标系下的导热微分方
程：
ρc∂T/∂t=-s+λx∂2T/∂2x2+λy∂2T/∂2y2+λz∂2T/∂2z2
边界条件：
Ts=T(xs，ys，zs)
λx∂T/∂x+λy∂T/∂y+λz∂T/∂y=q
λx∂T/∂x+λy∂T/∂y+λz∂T/∂y=h(Ta-T∞)
式(2)-(4)中：Ts为边界表面温度，xs，ys，zs分别为微元体坐标，q为热流密度，
Ta为微元体温度，T∞为环境温度。
1.2 热分析有限元方程
针对直角坐标系下的三维稳态导热微分方程，建立有限元方程，并得出矩阵形式：
K·T=P
式(5)中：K为传热矩阵，T为节点温度矩阵，P为温度载荷矩阵。
对于瞬态传热，温度还与比热容c有关，并随时间变化而变化，同理，可推出瞬
态有限元传热方程：
cT’+cT=P
式(6)中：T’为节点温度对时间的导数。
由上述方程可知，要对锂离子电池进行准确的热分析，参数c、s和λ必不可少。
由于锂离子电池复杂的内部结构，热物性参数往往不易得出。
邱景义等[6]利用加速量热仪测定了38120型锂离子电池的比热容，发现电池比热
容在测试的温度范围内变化不大，约为1.365 J/(g·℃)；Bernardi等[7]基于电池
内部能量守恒、电荷守恒以及物质守恒，建立了电池体系的热效应模型；李劼等[8]
根据传热的基本原理，将传热材料分为并联和串联两种，通过串并联平均导热系数
的测试方法，计算出单体电池内核材料各方向导热系数分别为：λx=λz=1.35
W/(m·K)；λy=0.98 W/(m·K)。
由于实验条件限制，本文作者通过真空玻璃保温瓶模拟绝热环境，在保温瓶内进行
电池比热容测试和放电发热功率测试。
实验用电池为18650型锂离子电池(无锡产)，额定容量为2 900 mAh，使用10
号变压器油(常州产，比热容为1.92×103 J/kg·℃)，用水银温度计(衡水产，精度
为0.05 ℃)和FLUKE红外测温仪(上海产)测量温度。
2.1 电池平均导热率计算
电池结构复杂，无法直接测量内部导热率，拆解后又会导致结构发生变化，因此采
用平均导热率的方法来确定。18650型锂离子电池的材料参数如表1所示，电池
的平均导热系数可通过式(7)[9]来确定。
λi=ΣλiLi/ΣLi
式(7)中：λi为第i种材料的导热率，Li为第i种材料在热流方向的厚度。
根据表1中的数据，计算得出：
λx=λY=1.45 W/(m·K)，λz=5.24 W/(m·K)。
2.2 真空玻璃保温瓶保温性测试
在环境温度为22 ℃时，向保温瓶中倒入27 ℃的纯净水1 000 ml，待稳定后用水
银温度计测得水温为26.85 ℃，封闭瓶口，1 h后再次测量水温，测得温度为
26.80 ℃，水温降低0.05 ℃。用相同的方法测得：当瓶内的水温高于环境温度
10 ℃即水温32 ℃时，1 h内水温降低0.1 ℃。可以认为：当瓶内温度与外界环境
相差不大时，在短时间内(如1 h)，保温瓶为绝热环境。
2.3 锂离子电池比热容测定
将20只温度为t0(环境温度)的18650型锂离子电池(质量为m0)放入真空玻璃保
温瓶中，再将质量为m1，比热为c1的10号变压器油倒入真空玻璃保温瓶中，
密闭瓶口。待30 min后，可认为电池与变压器油温度达到一致，用水银温度计测
量温度为t1。再倒入质量为m2，温度为t2的变压器油，待温度稳定后，测量温
度为t3。系统近似处于绝热状态，可认为能量守恒，根据式(8)，可测定电池的比
热容c。
(cm0+c1m1+c1m2)t3=(cm0+c1m1) t1+c1m2t2
为减小误差，变压器油温度不高于环境温度5 ℃。多次测量取平均值，得出锂离
子电池的比热容为995 J/kg·℃。
2.4 锂离子电池发热功率测定
将26只电池(1 248 g)以2并13串的方式连接，放入装有质量为m0(2 124 g)的
变压器油的保温瓶中。
瓶口密闭静置1 h，使电池温度与油温达到一致(均为t0)，对电池以0.5 C的电流
放电，再静置1 h，待温度稳定后，测得变压器油温度t4。电池处于油液浸泡中，
散热状况良好，加之放电后静置时间较长，可认为变压器油和电池处于同一温度。
根据式(9)可知，放电期间电池发热总量，进而可知电池的发热功率q。具体测试
方法如下：
q=(c0m0+c1m1)(t4-t0)
根据SOC节点记录时间和油温，记录每个SOC时间段，保温瓶内变压器油的温
差，为防止电池温度与变压器油温不一致，每当电池SOC下降0.1时，停止放电
30 min，待温度稳定后测量油温。每个放电时间段(SOC降低0.1的放电时间段)
相互独立，彼此不影响。
2.5 实验数据分析
由实验数据可知，电池的发热功率并不恒定，而与SOC有关。电池发热功率随着
SOC的减小，先降低、后趋于平稳，最后急剧增大。当SOC在1.0～0.8时，电
池电压下降较快，发热功率较大；当SOC在0.8～0.2时，电压降较慢，发热功率
较低；当SOC在0.2～0时，电压下降明显，发热功率显著升高。由于电池放电
后期发热功率过大，在正常使用过程中，不建议对电池进行过放电。
2.6 实验方法的可靠性和实用性验证
将单只18650型锂离子电池用棉线悬挂在空中，在室温22 ℃下以0.5 C放电至
SOC = 0.2。由于电池尺寸较小，放置温度传感器会严重影响温度分布，采用红外
测温仪进行温度测量，每5 min记录一次电池表面轴向中间点的温度。
将表2中的电池0.5 C放电发热功率数据用ANSYS15.0进行瞬态模拟分析，将实
验温度与仿真温度数据进行对比，得到图2。
从图2可知，实验温度略低于仿真温度。这可能是因为正、负极的焊点增加了散
热面积，而铜质导线也是很好的热导体，会导致电池热量损失，降低电池温度。由
于两者误差不大，在可接受范围内，且温度曲线走势基本一致，可证明设计的发热
功率测定实验具有较高的可靠性和实用性。
2.7 0.5～2.0C发热功率测定
对电池进行0.5～2.0 C放电发热功率测定实验，从SOC=1.0放电至SOC=0.2，
结果见图3。
从图3可知，随着放电电流的增加，电池发热功率增加明显，且在大电流放电下，
电池发热功率波动明显。
锂离子电池最佳温度为20～40 ℃，且电池组局域温差应小于5 ℃[10]。为了使电
池组始终处于合理的工作温度环境下，散热系统需能满足电池组在极端温度，最大
发热功率下的散热需求。
3.1 锂离子电池最大稳定放电电流的确定
主流电动汽车的电池和电机参数见表3。
根据以上数据，假定某电动车的电机功率为80 kW，电机额定电压为400 V，电
池组为108串40并，共计4 320只单体电池，根据式(10)[11]计算汽车所需的功
率。
Pe=1/ηT(Gfμa/3600 +Giμa/3600+CDA/3600+
δmμadu/3600dt)
式(10)中：ηT为机械传动效率，取0.92； f为滚动阻力系数，取0.012；μa为车
速；CD为风阻系数，取0.4；A为迎风面积，取2.92；G为汽车重力，汽车质量
取1 800 kg，重力加速度取9.8 m/s2；i为道路坡度；δ为汽车旋转质量换算系
数；m为汽车质量；du/dt为汽车加速度。
若考虑汽车在水平路面上行驶，则式(10)中的第2项(G iμa/3600)和第4项(δ
mμa du/3600dt)可省略。考虑电池放电效率(取0.95)和电机转换效率(取0.9)，
可计算电池组的输出电流，进而可计算单体电池的输出电流。
取140 km/h为汽车最高速度，经计算，单体电池的最大输出电流为2.85 A。汽
车内部有各种电器件，需要消耗电能，但相比电动机而言，消耗较少。为方便计算，
取单体电池最大放电电流为2.9 A，即1 C。
3.2 电池组自然散热下1 C放电热仿真
整体电池组有4 000多只单体电池，仿真难度较大，将电池组分成40小组，即每
108只单体电池为1小组，进行独立封装，并假定每个电池小组间相隔较远、彼
此热隔绝。
根据测得的单体电池在1 C放电时的发热功率数据，对108只单体电池组成的小
组在自然环境下的1 C放电进行热仿真分析。取平均值0.72 W、环境温度为
40 ℃，进行稳态热仿真，得到温度云图如图4所示。
从图4可知，在环境温度为40 ℃时，电池组在自然冷却条件下的温升明显，且热
量累积效应显著，中心温度高、边缘温度低；在重力方向上的热对流效应明显，处
于高处的电池温度较高。有必要对电池组采用适当的散热措施。
3.3 电池组热管理
对电池组进行水冷管冷却，为了尽量减小安装空间和更好地实现电池组温度的平衡，
采用沿电池轴向冷却。内径为6 mm的4根水冷管穿过电池之间的间隙，每根水
管与周围的电池均能很好地贴合，且不占用过多的空间，这样，电池组的结构更紧
密。设定外界温度40 ℃，每根水冷管内水温20 ℃、水流速度为30 cm/s，对电
池组水冷进行稳态仿真分析，得到温度云图如图5所示。
从图5可知，水冷效果非常好，电池最高温度低于环境温度40 ℃，电池组温差小
于3 ℃，温度一致性良好。
3.4 最佳水冷参数的确定
在实际应用中，在外界温度40 ℃的情况下，将水温降低到20 ℃会对空调系统带
来较大的压力，较大的流速也会对水泵提出更高的功率要求，因此，需要确定最佳
的水温和流速，既能满足冷却要求，又不对空调系统和水泵产生过大的依赖。在水
温twater为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃及流速vwater为5
cm/s、10 cm/s、15 cm/s、20 cm/s、25 cm/s和30 cm/s的水冷参数环境下，
分别进行仿真分析，得到共计36组数据，并绘制电池最高温度tcell MAX、电池
组温差Δt与水温twater、vwater的关系图，如图6所示。
从图6可知，当流速一定时，电池最高温度随着水温的降低而降低，且效果明显，
电池组温差与水温没有确定关系；当水温一定时，电池组温差随着流速的增加明显
下降，同时，电池组最高温度随着流速增加而降低，但效果不很明显。
对水冷系统而言，既要满足散热需求，同时要最为经济，就要对自变量水温
twater、流速vwater、因变量电池最高温度tcell MAX和电池组温差Δt进行最
优化分析。自变量水温twater是由空调系统来控制的，越低的水温压缩机、散热
风扇的功耗代价越高，故twater越大越好；自变量流速vwater由水泵控制，流
速越低，所需功率越小；对于tmax，由于锂离子电池最佳工作温度为20～40 ℃，
只要tmax接近40 ℃，便满足要求，更低的温度会对加大散热系统负担，因此
∣tmax-40∣越小越好；对于电池组温差Δt，越低的温差，电池组间的温度一致性
越高，因此Δt越小越好。为了进一步确定最佳水冷参数，引入水冷评价因子P，
计算公式见式(11)。
P=│tmax-40│·vwater·Δt/twater
将tmax、Δt等均去掉单位后代入式(11)进行计算，P越小越好。
将这36组数据带入式(11)，计算最佳因子，得到的数据见表4。
从表4可知，当水冷参数为水温25 ℃、流速为10 cm/s时，水冷效果满足要求
且代价最低，为最佳水冷参数。
本文作者设计的电池热功率测定方法具有很好的可靠性和实用性，可对后期的仿真
工作提供了直接的数据支持。
采用沿电池轴向铺设水冷管冷却具有很好的冷却效果，能使得电池组最高温度和电
池组温差都在合理范围内。
对于本文作者设计的水冷系统，水温与环境温度的温差越大，水冷效果越好；流速
越高电池组内部温度一致性更好，电池组最高温度也会有所降低。综合电池组最佳
工作温度和经济型来选择水冷参数，最佳的水冷参数为水温25 ℃、流速10 cm/s。
【相关文献】
[1] 刘会会，柳邦威. 锂离子电池隔膜生产技术与研究进展[J].电池，2015，45(1)：57-60.
[2] 梁波，欧阳陈志. 往复流散热方式的锂离子电池热管理[J].汽车工程2014，36(14)：1 449-1
454.
[3] 吴忠杰，张国庆. 混合动力车用镍氢电池的液体冷却系统[J].广东工业大学学报，2008，25(4)：
28-31.
[4] 王颖盈，赵耀华. 平板微热管阵列应用于锂电池组的散热特性[J].电源技术，2014，38(8)：1
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[5] 张海燕，张国庆. 相变储能材料在电磁热管理系统中的应用研究进展[J].材料导报，2006，20(8)：
9-12.
[6] 邱景义，余仲宝，李萌. 高功率锂离子电池热特性研究[J].电源技术，2015，39(1)：40-42.
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[11] 余志生. 汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009.
2024年4月9日发(作者：壤驷华)
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田玉冬;李飞泉;徐志龙;黎教盛
【摘 要】The specific heat capacity and heating power under 0.5 C
discharge of the 18650 type Li-ion battery were specific heat
capacity was 995 J/Kg · ℃.The heating power changed along with the state
of charge (SOC).The reliability and practicability of parameters
measurement method were verified through the comparison of the
experimental and simulation heating power of the battery under
0.5-2.0 C discharge was thermal management of the battery
pack was carried out,the cooling water pipe was laid along the axial
direction of the was found that the optimal parameter of water
cooling under extreme conditions was 25 ℃,the flow rate was 10 cm/s
through the ANSYS simulation platform.%对18650型锂电子电池的比热容和
在0.5C放电下的发热功率进行测定,测得电池的比热容为995 J/kg·℃,电池发热功
率随着荷电状态(SOC)的变化而变化.通过实验和仿真的数据对比,验证参数测定方
法的可靠性和实用性.对0.5～2.0C放电下电池的发热功率进行测定.对电池组进行
热管理,采取沿着电池轴向铺设水冷管的方法进行散热,通过ANSYS仿真平台发现:
在极端条件下水冷的最佳参数为水温25℃,流速10 cm/s.
【期刊名称】《电池》
【年(卷),期】2017(047)005
【总页数】5页(P265-269)
【关键词】18650型锂离子电池;发热功率;水冷参数;电动车
【作 者】田玉冬;李飞泉;徐志龙;黎教盛
【作者单位】上海理工大学机械学院,上海200029;上海建桥学院机电学院,上海
201315;上海理工大学机械学院,上海200029;上海理工大学机械学院,上海
200029;上海众力汽车部件有限公司,上海201109
【正文语种】中 文
【中图分类】TM912.9
锂离子电池作为动力电池，具有能量密度高、无记忆效应、自放电小和循环寿命长
等特点。由于功率需求，锂离子电池通常以串并联方式形成电池组，加上安装空间
的限制，单体电池之间的空隙被严重压缩，导致热量累积形成局部高温。不均匀及
过大的温度变化，影响着锂离子电池特性(如可用容量)，会导致电池的早期损坏与
热失控，甚至引发爆炸[1]。对动力电池进行有效的热管理十分必要。
动力电池的散热方式有风冷、水冷、热管冷却和相变材料冷却等。梁波等[2]采用
往复流动冷却方式，使冷却空气流动方向周期性逆转，以降低单向流动空气冷却方
式时单体电池沿空气流动方向的温度梯度，在1 C和3 C放电倍率下，电池的温
度均匀性分别提高了12.1%和62.4%。吴忠杰等[3]设计了夹套式液体冷却结构，
通过Fluent软件对流场进行模拟，当环境温度为23 ℃时，夹套式液体冷却结构
可将液体介质的最高温度控制在24 ℃以内；赵耀华等[4]提出用微通道阵列平板热
管技术优化锂离子电池散热，使电池组最高温度与不加微通道热管的相比，降低了
4.5 ℃；张国庆等[5]对相变材料(PCM)在电池热管理中的应用进行了研究，加入
PCM的情况与不加的相比，电池内部温度低了8 ℃。
本文作者直接对锂离子电池进行热功率测定实验，获取电池发热功率随荷电状态
(SOC)变化曲线，采用径向水冷管冷却方法，借助仿真软件进行水冷参数化研究，
获取最佳水冷参数。
1.1 锂离子电池传热方程
18650型锂离子电池由正极、正极集流板、隔膜、负极和负极集流板构成，负极、
隔膜和正极都为多孔材质，中间浸满电解液。电池内部为各材料按照一定的顺序层
层堆叠，每层都很薄，层数很多，直接建模非常困难。为了方便建模，进行假设：
电池内部物质均匀分布，发热均匀；电池的比热容和发热功率均不随温度变化。
现取电池内部的一个微元体进行分析，电池比热容为c、单体发热功率为s、密度
为ρ、导热率为λ。可推导出18650型锂离子电池柱直角坐标系下的导热微分方
程：
ρc∂T/∂t=-s+λx∂2T/∂2x2+λy∂2T/∂2y2+λz∂2T/∂2z2
边界条件：
Ts=T(xs，ys，zs)
λx∂T/∂x+λy∂T/∂y+λz∂T/∂y=q
λx∂T/∂x+λy∂T/∂y+λz∂T/∂y=h(Ta-T∞)
式(2)-(4)中：Ts为边界表面温度，xs，ys，zs分别为微元体坐标，q为热流密度，
Ta为微元体温度，T∞为环境温度。
1.2 热分析有限元方程
针对直角坐标系下的三维稳态导热微分方程，建立有限元方程，并得出矩阵形式：
K·T=P
式(5)中：K为传热矩阵，T为节点温度矩阵，P为温度载荷矩阵。
对于瞬态传热，温度还与比热容c有关，并随时间变化而变化，同理，可推出瞬
态有限元传热方程：
cT’+cT=P
式(6)中：T’为节点温度对时间的导数。
由上述方程可知，要对锂离子电池进行准确的热分析，参数c、s和λ必不可少。
由于锂离子电池复杂的内部结构，热物性参数往往不易得出。
邱景义等[6]利用加速量热仪测定了38120型锂离子电池的比热容，发现电池比热
容在测试的温度范围内变化不大，约为1.365 J/(g·℃)；Bernardi等[7]基于电池
内部能量守恒、电荷守恒以及物质守恒，建立了电池体系的热效应模型；李劼等[8]
根据传热的基本原理，将传热材料分为并联和串联两种，通过串并联平均导热系数
的测试方法，计算出单体电池内核材料各方向导热系数分别为：λx=λz=1.35
W/(m·K)；λy=0.98 W/(m·K)。
由于实验条件限制，本文作者通过真空玻璃保温瓶模拟绝热环境，在保温瓶内进行
电池比热容测试和放电发热功率测试。
实验用电池为18650型锂离子电池(无锡产)，额定容量为2 900 mAh，使用10
号变压器油(常州产，比热容为1.92×103 J/kg·℃)，用水银温度计(衡水产，精度
为0.05 ℃)和FLUKE红外测温仪(上海产)测量温度。
2.1 电池平均导热率计算
电池结构复杂，无法直接测量内部导热率，拆解后又会导致结构发生变化，因此采
用平均导热率的方法来确定。18650型锂离子电池的材料参数如表1所示，电池
的平均导热系数可通过式(7)[9]来确定。
λi=ΣλiLi/ΣLi
式(7)中：λi为第i种材料的导热率，Li为第i种材料在热流方向的厚度。
根据表1中的数据，计算得出：
λx=λY=1.45 W/(m·K)，λz=5.24 W/(m·K)。
2.2 真空玻璃保温瓶保温性测试
在环境温度为22 ℃时，向保温瓶中倒入27 ℃的纯净水1 000 ml，待稳定后用水
银温度计测得水温为26.85 ℃，封闭瓶口，1 h后再次测量水温，测得温度为
26.80 ℃，水温降低0.05 ℃。用相同的方法测得：当瓶内的水温高于环境温度
10 ℃即水温32 ℃时，1 h内水温降低0.1 ℃。可以认为：当瓶内温度与外界环境
相差不大时，在短时间内(如1 h)，保温瓶为绝热环境。
2.3 锂离子电池比热容测定
将20只温度为t0(环境温度)的18650型锂离子电池(质量为m0)放入真空玻璃保
温瓶中，再将质量为m1，比热为c1的10号变压器油倒入真空玻璃保温瓶中，
密闭瓶口。待30 min后，可认为电池与变压器油温度达到一致，用水银温度计测
量温度为t1。再倒入质量为m2，温度为t2的变压器油，待温度稳定后，测量温
度为t3。系统近似处于绝热状态，可认为能量守恒，根据式(8)，可测定电池的比
热容c。
(cm0+c1m1+c1m2)t3=(cm0+c1m1) t1+c1m2t2
为减小误差，变压器油温度不高于环境温度5 ℃。多次测量取平均值，得出锂离
子电池的比热容为995 J/kg·℃。
2.4 锂离子电池发热功率测定
将26只电池(1 248 g)以2并13串的方式连接，放入装有质量为m0(2 124 g)的
变压器油的保温瓶中。
瓶口密闭静置1 h，使电池温度与油温达到一致(均为t0)，对电池以0.5 C的电流
放电，再静置1 h，待温度稳定后，测得变压器油温度t4。电池处于油液浸泡中，
散热状况良好，加之放电后静置时间较长，可认为变压器油和电池处于同一温度。
根据式(9)可知，放电期间电池发热总量，进而可知电池的发热功率q。具体测试
方法如下：
q=(c0m0+c1m1)(t4-t0)
根据SOC节点记录时间和油温，记录每个SOC时间段，保温瓶内变压器油的温
差，为防止电池温度与变压器油温不一致，每当电池SOC下降0.1时，停止放电
30 min，待温度稳定后测量油温。每个放电时间段(SOC降低0.1的放电时间段)
相互独立，彼此不影响。
2.5 实验数据分析
由实验数据可知，电池的发热功率并不恒定，而与SOC有关。电池发热功率随着
SOC的减小，先降低、后趋于平稳，最后急剧增大。当SOC在1.0～0.8时，电
池电压下降较快，发热功率较大；当SOC在0.8～0.2时，电压降较慢，发热功率
较低；当SOC在0.2～0时，电压下降明显，发热功率显著升高。由于电池放电
后期发热功率过大，在正常使用过程中，不建议对电池进行过放电。
2.6 实验方法的可靠性和实用性验证
将单只18650型锂离子电池用棉线悬挂在空中，在室温22 ℃下以0.5 C放电至
SOC = 0.2。由于电池尺寸较小，放置温度传感器会严重影响温度分布，采用红外
测温仪进行温度测量，每5 min记录一次电池表面轴向中间点的温度。
将表2中的电池0.5 C放电发热功率数据用ANSYS15.0进行瞬态模拟分析，将实
验温度与仿真温度数据进行对比，得到图2。
从图2可知，实验温度略低于仿真温度。这可能是因为正、负极的焊点增加了散
热面积，而铜质导线也是很好的热导体，会导致电池热量损失，降低电池温度。由
于两者误差不大，在可接受范围内，且温度曲线走势基本一致，可证明设计的发热
功率测定实验具有较高的可靠性和实用性。
2.7 0.5～2.0C发热功率测定
对电池进行0.5～2.0 C放电发热功率测定实验，从SOC=1.0放电至SOC=0.2，
结果见图3。
从图3可知，随着放电电流的增加，电池发热功率增加明显，且在大电流放电下，
电池发热功率波动明显。
锂离子电池最佳温度为20～40 ℃，且电池组局域温差应小于5 ℃[10]。为了使电
池组始终处于合理的工作温度环境下，散热系统需能满足电池组在极端温度，最大
发热功率下的散热需求。
3.1 锂离子电池最大稳定放电电流的确定
主流电动汽车的电池和电机参数见表3。
根据以上数据，假定某电动车的电机功率为80 kW，电机额定电压为400 V，电
池组为108串40并，共计4 320只单体电池，根据式(10)[11]计算汽车所需的功
率。
Pe=1/ηT(Gfμa/3600 +Giμa/3600+CDA/3600+
δmμadu/3600dt)
式(10)中：ηT为机械传动效率，取0.92； f为滚动阻力系数，取0.012；μa为车
速；CD为风阻系数，取0.4；A为迎风面积，取2.92；G为汽车重力，汽车质量
取1 800 kg，重力加速度取9.8 m/s2；i为道路坡度；δ为汽车旋转质量换算系
数；m为汽车质量；du/dt为汽车加速度。
若考虑汽车在水平路面上行驶，则式(10)中的第2项(G iμa/3600)和第4项(δ
mμa du/3600dt)可省略。考虑电池放电效率(取0.95)和电机转换效率(取0.9)，
可计算电池组的输出电流，进而可计算单体电池的输出电流。
取140 km/h为汽车最高速度，经计算，单体电池的最大输出电流为2.85 A。汽
车内部有各种电器件，需要消耗电能，但相比电动机而言，消耗较少。为方便计算，
取单体电池最大放电电流为2.9 A，即1 C。
3.2 电池组自然散热下1 C放电热仿真
整体电池组有4 000多只单体电池，仿真难度较大，将电池组分成40小组，即每
108只单体电池为1小组，进行独立封装，并假定每个电池小组间相隔较远、彼
此热隔绝。
根据测得的单体电池在1 C放电时的发热功率数据，对108只单体电池组成的小
组在自然环境下的1 C放电进行热仿真分析。取平均值0.72 W、环境温度为
40 ℃，进行稳态热仿真，得到温度云图如图4所示。
从图4可知，在环境温度为40 ℃时，电池组在自然冷却条件下的温升明显，且热
量累积效应显著，中心温度高、边缘温度低；在重力方向上的热对流效应明显，处
于高处的电池温度较高。有必要对电池组采用适当的散热措施。
3.3 电池组热管理
对电池组进行水冷管冷却，为了尽量减小安装空间和更好地实现电池组温度的平衡，
采用沿电池轴向冷却。内径为6 mm的4根水冷管穿过电池之间的间隙，每根水
管与周围的电池均能很好地贴合，且不占用过多的空间，这样，电池组的结构更紧
密。设定外界温度40 ℃，每根水冷管内水温20 ℃、水流速度为30 cm/s，对电
池组水冷进行稳态仿真分析，得到温度云图如图5所示。
从图5可知，水冷效果非常好，电池最高温度低于环境温度40 ℃，电池组温差小
于3 ℃，温度一致性良好。
3.4 最佳水冷参数的确定
在实际应用中，在外界温度40 ℃的情况下，将水温降低到20 ℃会对空调系统带
来较大的压力，较大的流速也会对水泵提出更高的功率要求，因此，需要确定最佳
的水温和流速，既能满足冷却要求，又不对空调系统和水泵产生过大的依赖。在水
温twater为15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃及流速vwater为5
cm/s、10 cm/s、15 cm/s、20 cm/s、25 cm/s和30 cm/s的水冷参数环境下，
分别进行仿真分析，得到共计36组数据，并绘制电池最高温度tcell MAX、电池
组温差Δt与水温twater、vwater的关系图，如图6所示。
从图6可知，当流速一定时，电池最高温度随着水温的降低而降低，且效果明显，
电池组温差与水温没有确定关系；当水温一定时，电池组温差随着流速的增加明显
下降，同时，电池组最高温度随着流速增加而降低，但效果不很明显。
对水冷系统而言，既要满足散热需求，同时要最为经济，就要对自变量水温
twater、流速vwater、因变量电池最高温度tcell MAX和电池组温差Δt进行最
优化分析。自变量水温twater是由空调系统来控制的，越低的水温压缩机、散热
风扇的功耗代价越高，故twater越大越好；自变量流速vwater由水泵控制，流
速越低，所需功率越小；对于tmax，由于锂离子电池最佳工作温度为20～40 ℃，
只要tmax接近40 ℃，便满足要求，更低的温度会对加大散热系统负担，因此
∣tmax-40∣越小越好；对于电池组温差Δt，越低的温差，电池组间的温度一致性
越高，因此Δt越小越好。为了进一步确定最佳水冷参数，引入水冷评价因子P，
计算公式见式(11)。
P=│tmax-40│·vwater·Δt/twater
将tmax、Δt等均去掉单位后代入式(11)进行计算，P越小越好。
将这36组数据带入式(11)，计算最佳因子，得到的数据见表4。
从表4可知，当水冷参数为水温25 ℃、流速为10 cm/s时，水冷效果满足要求
且代价最低，为最佳水冷参数。
本文作者设计的电池热功率测定方法具有很好的可靠性和实用性，可对后期的仿真
工作提供了直接的数据支持。
采用沿电池轴向铺设水冷管冷却具有很好的冷却效果，能使得电池组最高温度和电
池组温差都在合理范围内。
对于本文作者设计的水冷系统，水温与环境温度的温差越大，水冷效果越好；流速
越高电池组内部温度一致性更好，电池组最高温度也会有所降低。综合电池组最佳
工作温度和经济型来选择水冷参数，最佳的水冷参数为水温25 ℃、流速10 cm/s。
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