SSB蓄电池LiFePO电池在动态驾驶循环下的热响应：环境温度与电池包尺寸的影响4热
2026-10-26 16:43:50
低功耗电动汽车在印度正迅速普及，当地环境温度常达35–40 °C，然而关于大尺寸磷酸铁锂电池的实验数据4 在这些气候条件下，真实驾驶循环负载下的(LFP)电池非常稀缺。研究人员在25–40 °C的环境温度下，采用自然对流和3 m/s的强制风冷方式，对16–80个电池单元（≈1–5 kWh）组成的电池组，使用源自IUDC、WLTC Class 1和WLTC Class 2循环的电池级功率曲线对20 Ah LFP软包电池进行负载测试。结果根据热管理目标（≤35 °C且表面温差≤5 °C）以及制造商的最高运行限制（55 °C）进行了评估。在自然对流条件下，1 kWh电池组的温升较环境温度的幅度从11.5–17.5 °C降至≤4。4和5 kWh电池包的温度为5 °C，这与电池电流随电池数量增加而反向缩放的规律一致。只有4和5 kWh电池包在≤30 °C时能满足所有循环的目标；在35–40 °C时，任何环境空气策略都无法满足该目标。在40 °C下，1 kWh电池包在WLTC负载下温度达到55.3–57.5 °C。强制风冷在25 °C时可降低28–41%的温升，但在40 °C时仅降低4–20%；它使2 kWh电池包温度保持在限值以下至少7.9 °C，但在40 °C的WLTC Class 2工况下，1 kWh电池包则未能达到此要求。由此得出的运行包络线为炎热气候下低功率电动汽车的电池包尺寸设计和热管理提供了支持。
锂离子电池是电动汽车（EV）的主流储能技术 [1]，其性能、老化和安全性在很大程度上取决于温度 [2,3]。通常推荐的工作温度范围为15–35 °C [4,5]，且电池单体或模组内的温差应保持在5 °C以下 [6]，因为面内温度梯度会导致电流分布不均，并加速不均匀的性能衰减 [7,8在此窗口以上的操作会加速容量衰减和电阻增长 [9]，而电池制造商规定的最高工作温度是一个独立且更严格的限制。基于空气冷却的电池热管理系统（BTMSs）[10,11]，液冷[11,12]，相变材料（PCMs）[13]，热管[14]以及直接制冷或浸没式冷却[3,6,15] 已经过广泛审查 [3,5,6,15]。对于低功耗电动汽车，其产热量较小且成本至关重要，风冷仍然是最简单且应用最广泛的选择[11,16]。冷却位置也很重要：极耳冷却和表面冷却在软包电池中会产生不同的温度梯度和衰减速率[17]，并且研究表明，在0.5–2.5C的放电倍率下，保持均匀的温度分布可将放电性能提高5–20%[18]. LiFePO电池的热行为主要在恒流负载条件下进行了表征。Panchal等人[4 ]测量了20 Ah方形LFP电池在C/10–4C下的表面温度，并报告在4C放电结束时峰值为58.1 °C，而在1C以下时温度接近环境温度。Lin等人[19]量化了40 Ah LFP电池的发热量，并表明其随着电池温度升高而降低。Malik等人[20(本文属于 特别专刊21] 在10–40 °C的冷却液温度下，对一个三电芯20 Ah LFP液冷电池包进行了恒流放电和一次真实行驶工况测试，Panchal等人[22]分析了真实行驶工况记录下的LFP退化情况。针对印度运行工况的研究较少。基于行驶工况的模拟研究已考察了印度行驶工况下的圆柱形电芯风冷模块[23]和液冷电池包[24]，并且有关于金奈未冷却1.25 kWh三轮车电池包的实地数据报告，当地日温度范围为25至48 °C[25]。Lakshmanan等人[26] 在多模式驾驶循环下评估了两轮电动汽车电池，包括此处使用的IUDC和WLTC等级。南亚大部分地区全年的环境温度大多介于25至40°C之间[27,28]。在之前的工作中，作者开发了本测试台架，并研究了此处使用的电池的极耳、表面及综合冷却效果[29,30]. 现有文献中存在三个空白。首先，大多数大尺寸磷酸铁锂电池的实验数据均基于恒流放电，而城市驾驶循环中瞬态、间歇性的读档会产生不同的峰值电流与均方根（RMS）电流关系，进而影响发热量。其次，针对印度或WLTC低功率循环的研究主要以数值模拟为主[23,24] 且很少系统地改变低功耗电动汽车实际经历的25–40 °C环境温度范围。第三，电池包尺寸决定了共享车辆读档的电池数量，从而决定了电池电流，但很少被视为限制级实验变量，且结果往往仅以单一的“35 °C限制”为标准进行评判，该标准将热管理目标与电池安全限制混为一谈。 本研究通过实验填补了这些空白。将20 Ah LFP软包电池置于25、30、35和40 °C的受控环境温度下，在自然对流和3 m/s强制风冷条件下，使其承受源自印度城市驾驶循环（IUDC）以及WLTC 1级和2级循环的电池级功率曲线，这些循环适用于电池组包含16–80个电池单元（标称能量≈1–5 kWh）的200 kg低功率车辆。具体贡献如下：(i) 针对60种自然对流和24种强制对流测试条件，建立了关于最高温度、环境温升和表面不均匀性的系统数据集；(ii) 明确区分了电池包尺寸、电池功率、电池C倍率、热管理目标和制造商安全限制，从而确定了每种冷却策略适用的操作范围；(iii) 分析了观察到的行为与电池均方根电流以及高环境温度下环境空气冷却效果降低之间的联系；以及(iv) 与已发表的实验和数值研究进行了定量比较。
2. 实验
2.1. 测试试样与材料规格 实验研究是在单个LiFePO4 (LFP)软包电池上进行的，该电池代表了电动汽车电池包中使用的方形电池[19,21]。该电池的标称容量为20 Ah，标称电压为3.3 V，标称能量为65 Wh，比能量为131 Wh/kg，能量密度为247 Wh/L。电池质量为496 g，内阻为5 mΩ。正极材料为LiFePO4 ，阳极为石墨，电解质为碳酸盐基。该电池可承受最大300 A的充放电电流，放电功率为1200 W，比功率为2400 W/kg。制造商规定的工作温度范围为−30 °C至55 °C；本研究中将上限值（55 °C）作为工作（安全）上限（第2.4节）。存储温度范围为−40 °C至60 °C，电池物理尺寸为7.25 × 160 × 227 mm。图1a显示了该电池，根据先前报道的该电池热成像区域研究，在其表面标记了四个区域[29,30]. 图1b定义了以下区域：区域1（距极耳边缘0–20 mm）包含极耳与集流体连接处，电流收缩在此处集中产生欧姆热；区域2（20–80 mm）和区域3（80–150 mm）覆盖了上部和中部活性区域；区域4（150–227 mm）是电池的后端，距离极耳最远。 图1。 LiFePO4 本研究中使用的软包电池：（）表面标有四个热成像区域的照片；（ ）区域示意图（区域1：极耳/集流体区域，距极耳边缘0–20 mm；区域2：20–80 mm；区域3：80–150 mm；区域4：后端，150–227 mm）。b ) schematic of the zones (Zone 1: tab/current-collector region, 0–20 mm from the tab edge; Zone 2: 20–80 mm; Zone 3: 80–150 mm; Zone 4: rear end, 150–227 mm).
2.2. Experimental Setup, Instrumentation and Load Application 完整的测试装置如图所示图2. 图2a 标识了其主要组件、信号和电源路径以及测试区域，并且图2b展示了内部测试台[29]. 该装置包括：(i) 可编程电子直流负载，用于将基于行驶工况的功率曲线施加到电池上；(ii) 多通道数据记录仪（数据采集系统，DAQ），以1秒的扫描间隔记录温度传感器的信号；(iii) 计算机，用于生成负载曲线并存储数据；以及(iv) 测试区，即一个绝缘室，其中放置了电池、带有开关温度控制器的灯泡加热器，以及用于强制对流测试的轴流冷却风扇。每个组件和测量仪器的品牌、量程及制造商指定的精度均列于表1所有测量通道在实验前均经过校准。 图2。 电池动态加载实验装置：() 展示主要部件、信号与电源路径以及测试区域（绝缘室）的示意图；( ) 自制测试台的照片。b ) photograph of the in-house test bench.表1。 测试装置的主要组件和测量仪器及其量程和精度。电子负载用于将动态负载曲线施加到磷酸铁锂4 软包电池上。负载曲线是根据每个电池组尺寸（16–80个电池；第2.3节）在IUDC、WLTC 1级和WLTC 2级速度曲线下的计算电池级功率需求生成的。实验在25、30、35和40°C的环境（箱体）温度下进行，这些温度由STC-1000温度控制器控制的灯泡加热器维持。电池在箱体内的布置如图3所示1. 电池水平放置在开放式支架上，使其两个大面都能与箱内空气进行热交换；在强制对流测试中，安装在箱壁上的轴流风机在电池表面提供3 m/s的风速。 图3。 带有灯加热器、轴向冷却风扇和支撑架上电池的绝缘测试室（测试区）；主要部件均已标出。使用了八个PT100电阻温度检测器（RTD）来测量电池表面温度；其位置如图所示图4。布置方式遵循了该电池之前报道的热成像区域研究[29,30] 并被选中以满足四项要求。(i) 热点：放电期间的最高温度出现在靠近正极（阴极）极耳的极耳-集流体接合处，此处电流收缩和极耳欧姆损耗集中产生热量[17,30]; 因此，传感器1和2被放置在区域1中两个极耳的根部，传感器1（阴极极耳区域）被用作最高温度位置。(ii) 冷点：最低温度出现在电池的后端，距离极耳最远处[30]; 传感器3、4和8布置在区域4，距离后边缘40毫米处，传感器8被用作最低温度位置。(iii) 空间覆盖：传感器5和6（区域2）以及传感器7（电池中心，区域3）解析了从极耳到后边缘方向的梯度，使得四个区域中的每一个都至少包含一个传感器。(iv) 对称性与双面：左/右成对的传感器（1–2、3–4和5–6）揭示了正极和负极极耳侧之间的横向不均匀性，而对顶面和底面同时进行测量则捕捉到了水平安装电池两个传热表面之间的差异。将传感器放置在距离侧边缘40毫米处，可以减少软包电池密封件的影响。这些位置与软包电池和方壳电池报道的表面温度分布一致[17,19]。表面温度差ΔT定义为最大和最小读数（传感器1和8）之间的差值。对于强制对流测试，选用的冷却风扇每单体散热能力为60 W，远高于测试条件下估计的最大平均焦耳热（12.7 W）。 图4。 八个PT100 RTD传感器的位置位于（）电池顶面和（ ）底面（尺寸单位为mm），叠加在图1 的Z1–Z4区域上。传感器1和2位于极耳根部，距离侧边40mm；传感器3和4距离侧边和后边40mm；传感器5和6距离极耳边缘55mm，距离侧边40mm；传感器7位于电池中心；传感器8距离侧边80mm，距离后边40mm。Figure 1. Sensors 1 and 2 are at the tab roots, 40 mm from the side edges; sensors 3 and 4 are 40 mm from the side and rear edges; sensors 5 and 6 are 55 mm below the tab edge and 40 mm from the side edges; sensor 7 is at the cell centre; and sensor 8 is 80 mm from the side edge and 40 mm from the rear edge.
2.3. 驾驶循环与电池级读档计算 为了模拟真实的电动汽车运行工况，本研究采用印度城市驾驶循环（IUDC）、全球轻型车辆统一测试循环（WLTC）1级和WLTC 2级进行电池读档。IUDC的特点是平均速度低且加速阶段迅速，适合评估城市驾驶工况下的电池性能。IUDC的标称平均速度为24 km/h，最高速度为64 km/h；本研究中应用的数字化工况曲线如图5所示，并附有相关统计数据。 图5。 本研究采用的印度城市驾驶循环（IUDC）速度曲线（标记：采样点）。WLTC 1类循环广泛用于分析轻型车辆的排放特性和燃油消耗。它被视为一种全球标准化的、真实的驾驶模式，用于评估车辆在典型运行条件下的性能。该循环如图所示图6，其特征为名义平均车速28.5公里/小时，最高车速64公里/小时，代表了常见的城市驾驶场景。WLTC 2类循环常用于评估印度、欧洲和日本等地区低功率车辆的排放特性和燃油消耗。这是一种国际认可且真实的驾驶模式，用于监管和性能评估。该循环如图7所示，其特征为平均车速35公里/小时，最高车速85公里/小时，这代表了城市和半城市地区的驾驶状况。 图6。 本研究中采用的WLTC 1类速度曲线（标记：采样点）。图7。 本研究中采用的WLTC 2类速度曲线（标记：采样点）。采用标准纵向车辆动力学模型[ ]来计算功率需求。轮端的牵引力 x 是空气阻力 d 与滚动阻力的总和 r ，梯度力 g 以及加速度 acc := Fx + Fd + Fr + Fg + Facc (1) (2) 其中 是空气密度， d 阻力系数， 迎风面积， 车辆速度， 滚动阻力系数， 车辆质量， 重力加速度和 道路坡度。假设道路为水平路面（ g = 0）。表2列出了车辆参数： = 200 kg, d = 0.75, A= 0.75 米, 2 μ = 0.007, ρ= 1.244 千克/米和 3 g= 9.81 m/s. 使用恒定的参考加速度评估了加速度力 2 a= 0.5 m/s只要车辆在行驶就会应用，这是一种保守的简化，代表了城市驾驶中重复的加速事件。未考虑再生制动和传动系统损耗，因此电池功率等于牵引功率： 2 bat (t) = Fx (t) v(t)(3) 表2。 用于读档计算的车辆参数。电池包尺寸与电芯读档。 所考虑的电池组由20 Ah测试电池构建，系统电压固定为16节电池串联（16S，单节3.2 V，标称51.2 V）。通过增加并联支路来扩大电池组容量，因此一个电池组包含 节电池（16S P, = 1–5)。由于每个电池单元存储65 Wh，这些电池组的标称能量分别为1.04、2.08、3.12、4.16和5.20 kWh；它们分别被称为1、2、3、4和5 kWh电池组。电池功率由 电池单元平分，因此电池单元的功率和电流为 (4) (5) ，而电池单元的C倍率是电池单元电流除以标称容量 nom = 20 Ah： (6) 其中 cell 是代表性的恒定电池单元电压（WLTC 1级和2级为3.2 V；IUDC为2.8 V）。由于 bat (t) 对所有包装规格都相同， cell 和 精确按1/比例换算 :1千瓦时的电池组会带来最高的电芯读档，而5千瓦时的电池组的读档仅为其五分之一。因此在本文中，我们将四个量明确区分开：电池组标称能量（单位：千瓦时），它决定了 ；电芯功率需求（单位：瓦）；电芯C速率（单位：小时）），它规定了热量产生；以及在其中定义的散热标准 −1 第2.4节. 国际统一循环工况（IUDC）下最终得到的电芯功率与C速率如图8和图9所示，所有循环的读档统计数据汇总于表3 图8。 1–5 kWh电池组在IUDC下的电池功率需求（= 16–80节电池）。 = 16–80 cells).图9。 从三个角度展示电池C倍率：（）1–5 kWh电池组在IUDC工况下的瞬时C倍率；（ ）三种驾驶循环的瞬时C倍率分布（箱体：四分位距；白线：中位数；须线：第5–95百分位数；三角形：峰值）；（）时间平均均方根（实线）和峰值（虚线）C倍率随电池组标称能量的变化（对数坐标轴），显示1/ 扩展c ) time-averaged RMS (solid) and peak (dashed) C-rate versus pack nominal energy on logarithmic axes, showing the 1/N scaling.表3。 基于行驶工况曲线的电芯级读档统计数据（每个循环的时间加权）。平均焦耳热估算为其中J = = 5 mΩ。rms 2 R with R = 5 mΩ.图8显示了IUDC工况下1–5 kWh电池包的电池功率需求。IUDC的间歇性特征，伴随着频繁的加速、减速和怠速阶段，产生了巨大的时间波动。最高功率值出现在加速阶段，最低功率值出现在巡航和怠速阶段。电池功率与电池数量成反比：对于1 kWh电池包（= 16) 在某些时刻其功率超过200 W（峰值226 W），而对于4和5 kWh的电池包，峰值分别降至57 W和45 W。因此，较小的电池包会对每个电芯施加更高的电气应力，而较大的电池包则将读档分布到更多的电芯上。 = 16) it exceeds 200 W at several instants (peak 226 W), whereas for the 4 and 5 kWh packs, the peaks fall to 57 and 45 W, respectively. Smaller packs therefore impose higher electrical stress on each cell, whereas larger packs distribute the load over more cells. 对应的电池倍率图8是根据公式(5)和(6)得到的，其展示如下图9从三个角度：瞬时倍率（图9a)，其分布（图9b）以及随包装尺寸变化的平均均方根值和峰值（图9c）。 如图所示图9a，IUDC倍率具有高度瞬态性，在加速时出现尖峰，在巡航和怠速时出现低谷。对于1 kWh电池包，倍率峰值约为4.0C；2和3 kWh电池包的峰值约为2.0C和1.3C，而4和5 kWh电池包分别保持在约1.0C和0.8C或以下。由于曲线在时间域上重叠，图9b以分布形式呈现相同信息：四分位距和第95百分位数按1/比例缩小，且WLTC Class 2的分布最宽。图9c图在对数坐标轴上显示，对于所有三个循环，均方根（RMS）和峰值C倍率均随电池包尺寸呈斜率为-1的直线下降。均方根C倍率是衡量焦耳热的相关指标，其与均方根电流的平方成正比（第3.6节）。在IUDC条件下，1–5 kWh电池包的时间平均（平均）C倍率分别为1.08、0.54、0.36、0.27和0.22（表3Table 3). 图10展示了采用相同方法计算的WLTC Class 1 (WLTC-1)工况下的电池功率需求。WLTC-1工况的速度变化比IUDC更平缓，但其加速阶段仍会产生明显的功率峰值。1 kWh电池包的电池功率再次最高，峰值为226 W，而4 kWh和5 kWh电池包的峰值分别为57 W和45 W；2 kWh和3 kWh电池包则表现出中间水平，且时间模式相同。 图10。 1–5 kWh电池组在WLTC Class 1工况下的电芯功率需求。如图所示图11，倍率遵循功率曲线。1 kWh电池包的最大倍率约为3.5C，2和3 kWh电池包分别达到约1.8C和1.2C，而4和5 kWh电池包则保持在0.9C以下。低倍率出现在低速和巡航阶段。尽管其峰值低于IUDC，但WLTC-1工况维持较高速度的时间更长，因此其平均倍率和均方根倍率均高于IUDC（表3）。1–5 kWh电池包的时间平均倍率分别为1.54、0.77、0.51、0.38和0.31。 图11。 1–5 kWh电池组在WLTC Class 1工况下的电芯C倍率。因此，更大的电池包能提供更好的负载分担并降低电池应力。图12展示了WLTC Class 2 (WLTC-2)工况下的电池功率需求，该工况的速度更高、加速更强，因此功率峰值更大且更频繁。对于1 kWh电池包，电池功率超过400 W（峰值415 W），而4 kWh和5 kWh电池包的峰值分别为104 W和83 W；2 kWh和3 kWh电池包则处于中间水平。 图12。 1–5 kWh电池组在WLTC Class 2工况下的电芯功率需求。WLTC-2 C倍率（图13）也遵循相同的趋势。1 kWh电池包在最强加速期间达到约6.5C，2和3 kWh电池包峰值约为3.2C和2.2C，4和5 kWh电池包峰值约为1.6C和1.3C。WLTC-2在三个循环中施加了最高的电气和热负荷，1–5 kWh电池包的时间平均C倍率分别为1.98、0.99、0.66、0.50和0.40（表3），这突显了为满足实际高需求驾驶而确定电池包尺寸和设计电池热管理系统（BTMS）的必要性。 图13。 1–5 kWh电池包在WLTC Class 2工况下的电池倍率。
2.4. 热力学标准定义 为避免歧义，结果将根据两个不同的标准进行评估，这两个标准不可互换。
热管理目标（TMT）：最大表面温度不应超过35 °C，表面温差ΔT不应超过5 °C。推荐在此窗口（15–35 °C，ΔT ≤ 5 °C）内运行，以实现长循环寿命和均匀利用[4,5,6]；超出此范围本身并不危险，但会加速老化[9]并促进不均匀降解[7,8]。TMT是电池热管理系统（BTMS）的设计目标。 上限运行（安全）极限：55 °C，即电池制造商规定的最高工作温度（第2.1节）。在此极限或超过此极限运行超出了电池规格范围，将被视为不可接受。 每个测试条件被归类为A（满足TMT）、B（超过TMT但Tmax < 55 °C）或C（Tmax ≥ 55 °C）。此外，高于环境温度的温升ΔTrise = Tmax − Tamb ，之所以被报告，是因为它将电池读档和冷却的效果与环境水平隔离开来。当Tamb ≥ 35 °C，无论其效果如何，任何使用环境空气作为冷却剂的策略都无法达到 35 °C 的目标。
2.5. 测量不确定度 根据仪器规格，对测量量和推导量的测量不确定度进行了评估，表1（B类评估），遵循GUM [ ]，并采用平方和开根号法进行组合[ ]；用于结果 1 , …, xn ),(7) 其中 表示不确定度。结果如下：
表面温度：PT100传感器的A级公差为±(0.15 + 0.002||) °C []，即在25 °C时为±0.20 °C，在55 °C时为±0.26 °C。结合数据记录仪的精度（250 °C量程的±0.1%，即±0.25 °C），在测量范围内单个温度读数的测量不确定度为±0.36 °C（≈±0.4 °C）。31], i.e., ±0.20 °C at 25 °C and ±0.26 °C at 55 °C. Combined with the data-logger accuracy (±0.1% of the 250 °C span, i.e., ±0.25 °C), the uncertainty of an individual temperature reading is ±0.36 °C (≈±0.4 °C) over the measured range. 温差ΔT和温升ΔTrise （两次读数之差）：±0.5 °C。 箱体（环境）温度：由STC-1000控制在±1 °C；这会影响绝对温度，但不会影响ΔTrise ，因为ΔT是相对于同一传感器的初始读数而言的。 电池电流、电压和功率（电子负载回读）：±0.07–0.10 A（20–80 A读数的0.1–0.35%）和±0.03 V（3.2 V时约为1%）；因此，电池功率的不确定度约为±1.0%，C倍率的不确定度为±0.1–0.4%。 车辆模型输入：计算出的功率对该值不敏感；将从9.81改为10 m/s对低速下力项的影响小于0.3%。 from 9.81 to 10 m/s2 alters the force term at low speed by less than 0.3%. 与第3节中讨论的差异相比，这些不确定性很小第3节（温度升高0.5–17.5 °C），但IUDC下的5 kWh电池组除外，其升温（0.5 °C）已达到分辨率极限。空气流速的不确定性由表1中列出的空气流速计确定表1。这些数值未包含重复性（A类）不确定性；这一点在局限性中有所讨论第3.8节.
3. 结果与讨论
3.1. IUDC负载下的自然对流 图14显示了1 kWh电池组中电池传感器1（正极极耳区域）在IUDC下的温度，以及施加的C倍率。温度从环境值上升，在25 °C环境时为36.5 °C，30 °C环境时为41.5 °C，35 °C环境时为46.5 °C，40 °C环境时为51.5 °C，即在每个环境温度下均比环境温度高出11.5 °C。尽管C倍率在0和4.0C之间持续波动，但由于电池的热惯性，温度缓慢平稳上升，在接近700、2000和2250秒的高需求阶段后出现明显的阶梯变化。关于第2.4节，即使在25°C时，TMT（35°C）也超出了1.5°C，在30–40°C时超出了6.5–16.5°C，而未达到制造商限制（55°C）（在40°C时余量为3.5°C）。极耳区域与电池后端之间的表面温度差为5–7°C，在所有环境温度下均超过了5°C的均匀性目标。因此，对于IUDC负载下的1 kWh电池包，需要增强冷却以在所有环境温度下满足TMT，尽管未违反安全限制。 图14。 传感器1处的温度（顶部 ）和施加的C倍率（底部 ) 适用于在25–40 °C环境温度下，采用自然对流散热的IUDC负载1 kWh电池包中的电芯。虚线和点划线：热管理目标温度（35 °C）和制造商规定的上限工作温度（55 °C）。图15显示了2 kWh电池包的相应结果（= 32)。在25°C环境温度下，温度从25°C上升至32.3°C，处于35°C目标范围内；在30°C、35°C和40°C时，温度分别达到37.3°C、42.3°C和47.3°C，超过了目标值，主要发生在约2000秒后，但即使在40°C时，仍比55°C的限制低7.7°C。高于环境温度的温升（7.3°C）比1 kWh电池包低36%。表面温差为6–7°C，最低温位于后端（传感器8），该处温度接近环境温度，是主要的散热边界。因为在所有环境温度下ΔT均超过5°C，且TT超过35°Cmax ≥ 30°C时，2 kWh电池包需要增强（强制）冷却以满足TMT，这促使了在amb 第3.4节中进行强制风冷测试Section 3.4. 图15。 在自然对流条件下，2 kWh电池包中电池1号传感器的温度（IUDC负载）。图16显示了3、4和5 kWh电池组的结果。高于环境温度的温升分别为4.1、1.8和0.5 °C，表面温差低于3.6 °C（表4）。在25°C和30°C的环境温度下，这些电池包仅靠自然对流即可满足TMT要求。在35°C和40°C的环境温度下，其温度（35.5–44.1 °C）超过35°C，主要是因为环境温度本身已达到或超过了目标值，而微小的温升表明电池负载的影响很小。对于这些电池包，在高环境温度下达到35°C的目标需要低于环境温度的冷却方式（例如基于制冷剂或冷水机的液冷），而强制环境空气冷却几乎没有帮助。这些结果证实，由电池包尺寸决定的电池C倍率与环境温度共同决定了IUDC条件下的热响应。 图16。 在自然对流条件下，IUDC负载下（）3 kWh、（ ）4 kWh和（）5 kWh电池组中1号传感器的温度。 ) 4 kWh and (c ) 5 kWh packs under IUDC loading with natural convection.表4。 在不同环境温度下，自然对流条件下IUDC负载下3、4和5 kWh电池包的平均和最小（后端，传感器8）电池表面温度（°C）。表4结果表明，后端（最低）温度与环境温度紧密跟随（温差在0–1.2 °C以内），且平均温度仅比环境温度高出0.2–2.0 °C，这表明温度分布几乎均匀。平均温度和最低温度随环境温度升高而增加的幅度大致相同，并且由于电池C倍率降低，两者都会随着电池包尺寸的增大而降低。
3.2. WLTC 1级负载下的自然对流 图17显示了在不同环境温度下，1 kWh电池组中电池在WLTC Class 1 (WLTC-1)工况下的传感器1温度和施加的C倍率。 图17。 传感器1处的温度（顶部 ）和施加的C倍率（底部 ）对于在WLTC 1级负载条件下采用自然对流的1 kWh电池包中的电池。在所有环境温度下，电池温度在整个循环过程中稳步上升。在循环的低速第一阶段，温度上升较为缓慢，而在约600秒后，随着中速阶段施加2–3.5C的持续充放电倍率，温度上升变得更加剧烈。在25、30、35和40°C的环境温度下，最终温度分别为40.5、45.0、50.2和55.3°C，对应于比环境温度高出15.0–15.5°C。因此，在所有环境温度下均超过了TMT，且在40°C时，电池达到了55°C的制造商限制（C级）。高于环境温度的温升几乎与环境温度无关（误差在±0.5°C以内，即测量不确定度范围内），这表明在自然对流条件下，环境温度主要改变基准值，而由电池产生的热量（由RMS电流决定）则决定了温升（第3.6节). C倍率峰值与温度曲线阶梯之间的紧密对应关系证实了高电流区间是发热的主导因素。因此，高环境温度结合高C倍率运行会导致1 kWh电池包温度达到不可接受的水平，需要有效的电池热管理系统。 表5展示了在WLTC-1工况下，最大、平均和最小电池温度随电池包尺寸的变化情况。电池温度随环境温度升高而升高，随电池包尺寸增大而降低，这是由于电池倍率降低所致。在25 °C环境温度下，所有电池包温度均保持在35 °C以下（最大26.4–33.0 °C），但在30 °C时，2 kWh和3 kWh电池包超过了目标值（38.0 °C和36.0 °C）。在35 °C和40 °C时，所有电池包温度均超过35 °C，其中2 kWh电池包最高可达48.5 °C，但未达到55 °C的限制。最低（后端）温度接近环境温度，表明该边界处的散热效果良好。表面温差(Tmax − Tmin ) 2 kWh电池包为5.5–8.3 °C，3 kWh电池包为4.5–5.3 °C，4和5 kWh电池包低于3 °C；即2 kWh电池包超过了5 °C的均匀性目标，3 kWh电池包也略微超过。这些趋势与图17. 表5。 在不同环境温度下，WLTC 1级负载条件下，2–5 kWh电池包在自然对流下的电池表面最高、平均和最低温度（°C）。
3.3. WLTC Class 2负载下的自然对流 图18显示了WLTC Class 2 (WLTC-2)负载下1 kWh电池包的电芯温度和C倍率。由于WLTC-2更为剧烈，其C倍率曲线比WLTC-1具有更大且更频繁的峰值，在最强加速期间达到约6.5C。 图18。 传感器1处的温度（顶部 ）和施加的C倍率（底部 ）对于在自然对流下WLTC Class 2负载的1 kWh电池包中的电池。这些峰值与较低倍率的巡航和减速阶段交替出现。在所有环境温度下，温度稳步上升，在约1150秒后上升最快，此时高速阶段施加了4–6.5C的倍率。在25、30、35和40°C的环境温度下，最终温度分别为42.5、47.5、52.5和57.5°C，对应温升17.5°C，是三个循环中最大的。在40°C环境温度下，电池温度超过制造商55°C限制2.5°C（C级）。因此，WLTC-2施加的热负荷明显高于WLTC-1和IUDC，高环境温度结合WLTC-2运行需要高效的电池热管理系统（BTMS）将电池保持在其工作限制范围内。 WLTC-2下2–5 kWh电池包的最大、平均和最小表面温度如下所示表6对于给定的电池包，将环境温度从25°C升高到40°C，电池温度也相应升高了约相同的幅度；对于2 kWh的电池包，最高温度从34.15°C上升到48.8°C，即上升了14.7°C（43%）。将电池包容量从2 kWh增加到5 kWh，温度会一致降低，在25°C环境温度下最高温度从34.15°C降至26.75°C，在40°C环境温度下最高温度从48.8°C降至41.75°C，这是由于每个电池的电流降低所致。2 kWh电池包的表面温差为5.7–8.3°C，3 kWh电池包为4.6–5.5°C，4 kWh和5 kWh电池包的温差最高为3.2°C。 表6。 在不同环境温度下，WLTC 2级负载条件下自然对流时，2–5 kWh电池包的最高、平均和最低电池表面温度（°C）。表6因此证实，环境温度决定了热响应的基准，而电池包尺寸通过电池充放电倍率决定了温升和不均匀性；在高环境温度下，小型电池包承受着最高的热应力，这与图18.
3.4. 3 m/s 风冷 1 kWh 和 2 kWh 电池包在所有三种驱动循环中均表现出最大的温升和表面温差，因为其电池以最高的充放电倍率运行。因此，对这两种尺寸的电池包采用了 3 m/s 风冷，以评估其是否能将电池温度保持在 TMT 和安全限值内。3–5 kWh 电池包未进行风冷测试，其在自然对流下的温升最高分别为 6.8 °C (3 kWh) 和 4.5 °C (4 和 5 kWh) (图16, 表5和表6）且在高温环境下超过35°C是由环境本身引起的（第3.1节). 图19, 图20, 图21, 图22, 图23和图24显示最高电池温度（传感器1）。 图19。 在3 m/s强制风冷条件下，1 kWh电池组中电池在IUDC负载下的最高电池温度（传感器1）。图20。 在3 m/s强制风冷条件下，2 kWh电池组中电池在IUDC负载下的最高电池温度（传感器1）。图21。 在3 m/s强制风冷条件下，1 kWh电池包中电池在WLTC Class 1负载下的最高电池温度（传感器1）。图22。 在3 m/s强制风冷条件下，2 kWh电池包中电池在WLTC Class 1负载下的最高电池温度（传感器1）。图23。 在3 m/s强制风冷条件下，1 kWh电池包中电池在WLTC Class 2负载下的最高电池温度（传感器1）。图24。 在WLTC 2级负载、3 m/s强制风冷条件下，2 kWh电池包中电池的最大温度（传感器1）。在IUDC读档（强制风冷）下（图19），1 kWh电池包中电池的最高温度在25、30、35和40°C环境温度下分别达到33.2、39.0、44.3和51.0°C，且在所有环境温度下表面温差均保持在5°C以下。与自然对流相比（图14），强制风冷在25°C时将最高温度降低了3.2°C，但在40°C时仅降低了0.5°C。TMT仅在25°C时得以满足；在30–40°C时，温度超过了35°C，尽管仍保持在55°C的限制以下（在40°C时余量为4.0°C）。因此，3 m/s的强制风冷可确保可接受的均匀性，但无法在环境温度升高时使1 kWh电池包保持在TMT范围内。 在IUDC读档（图20）下，2 kWh电池包的最高温度在25–40°C环境温度下分别达到30.2、35.7、41.3和46.5°C，且全程表面温差低于5°C。在25°C时满足TMT要求，在30°C时略微超出（超出0.7°C），而在40°C环境温度下，电池温度仍比55°C的限制低8.5°C。因此，3 m/s的强制风冷在所有测试环境温度下都能使2 kWh电池包保持在安全限制内并具有良好的均匀性，但与任何环境空气策略一样，当Tamb ≥ 35°C时，无法满足35°C的目标。 在WLTC-1读档条件下，采用强制风冷（图21），1 kWh电池包在25–40 °C环境温度下分别达到34.6、40.7、47.3和53.8 °C，所有工况下的ΔT均低于5 °C。仅在25 °C时满足TMT要求，而在40 °C时，电池温度与55 °C限制值的差距仅为1.2 °C，这一余量与环境温度和测量值的综合不确定度相当（第2.5节）。因此，在Tamb ≥ 30 °C时，3 m/s的强制风冷不足以满足WLTC-1读档下1 kWh电池包的要求。 对于WLTC-1工况下的2 kWh电池包（图22），在25–40 °C环境温度下，最高温度分别达到29.9、35.7、41.2和46.8 °C，所有工况下的ΔT均低于5 °C。在25 °C时满足TMT要求，在30 °C时略微超过，而40 °C环境温度下的温度比1 kWh电池包（53.8 °C）低7.0 °C，比安全极限低8.2 °C。因此，3 m/s的强制风冷对于WLTC-1工况下的2 kWh电池包在安全极限和均匀性方面是足够的，但在35–40 °C持续运行期间，若要接近TMT，则需要加强冷却。 图23表明在WLTC-2工况下，强制风冷对1 kWh电池包的响应强烈依赖于环境温度。在25–40 °C环境温度下，最高温度分别达到37.4、43.7、49.4和55.4 °C；因此即使在25 °C时也未满足TMT要求，而在40 °C时电池达到55 °C的极限（C级）。在25和30 °C环境温度下，ΔT保持在5 °C以下，但在35和40 °C时超过了5 °C，表明存在显著的热不均匀性。在所有测试环境温度下，相对于TMT，3 m/s的强制风冷对于WLTC-2工况下的1 kWh电池包而言均不足；在40 °C时，相对于安全限值同样不足；因此需要先进的热管理系统。 如图所示图24在WLTC-2工况下，2 kWh电池包在强制风冷条件下，当环境温度为25–40 °C时，温度分别达到30.4、35.9、41.5和47.1 °C。在25、30和35 °C时，温差（ΔT）保持在5 °C以下，但在40 °C时超过了5 °C。与1 kWh电池包相比（后者在35 °C和40 °C时温差均超过5 °C），2 kWh电池包表现出更好的热韧性，在40 °C时仍比安全限值低7.9 °C。因此，就均匀性和安全限值而言，3 m/s的强制风冷对于WLTC-2工况下的2 kWh电池包在最高35 °C环境温度下是足够的，而在40 °C时，则需要加强热管理以恢复温度均匀性。
3.5. 运行包络线：热管理目标与安全极限 表7汇总了所有84种测试条件，并采用以下分类第2.4节，得出三项结论。首先，在自然对流条件下，只有4kWh和5kWh电池包在Tmax ≤ 35 °C且ΔT ≤ 5 °C时，才能在所有循环中满足TMT（热管理目标）amb ≤ 30 °C，以及在IUDC（25和30 °C）和WLTC-2（25 °C）条件下使用3 kWh电池包时；对于1和2 kWh电池包，由于T的原因，在任何环境温度下均无法满足。max ，ΔT或两者兼有。其次，在25°C下，3 m/s的强制对流风将TMT扩展至IUDC和WLTC-1循环下的1 kWh电池组，以及所有循环下的2 kWh电池组，但未扩展至更高的环境温度。第三，在Tamb = 35–40 °C，所有工况均超过了TMT，因为冷却介质（环境空气）本身已达到或超过35 °C；在这些温度下，相关的设计问题是与55 °C安全极限的裕度以及表面均匀性。在三种工况下达到了或超过了安全极限，均为40 °C环境温度下的1 kWh电池包：自然对流的WLTC-1和WLTC-2（55.3和57.5 °C），以及强制风冷的WLTC-2（55.4 °C）。在实际应用中，200 kg车辆中搭载的1 kWh级电池包（16S1P）在40 °C环境温度下，若不采用低于环境温度的冷却方式、液冷或相变材料（PCM）冷却，则不应在WLTC型负载下运行；而3 kWh及以上的电池包在所有测试工况下，即使采用自然对流也能保持在安全极限内。 表7。 运行包络线：最高电池温度Tmax （°C）及所有测试条件的分类。A：达到热管理目标（Tmax ≤ 35 °C 且 ΔT ≤ 5 °C）；B：超过目标，Tmax < 55 °C；C：Tmax ≥ 55 °C（达到制造商上限运行限制）。†：ΔT > 5 °C。对于在WLTC-1和WLTC-2条件下采用自然对流的1 kWh电池包，ΔT未列入表格，分类基于Tmax .
3.6. 支配观测行为的机制 趋势可以通过电池的能量平衡来解释。对于集总电池[第3.1节 第3.2节 第3.3节 第3.4节中进行强制风冷测试和第3.5节是比热， (8) 其中 p 是有效（欧姆电阻加极化电阻）电阻， eff 开路电压， oc the open-circuit voltage, h传热系数和 s 细胞表面积。等式右侧的第一项是不可逆热量，第二项是可逆（熵）热量，第三项是对流热损失。由此得出四个结论。
(i)
电池包尺寸。因为，不可逆热量与1/cell ∝ 1/表3成正比，这表明使用5毫欧直流电阻估算的平均焦耳热在IUDC工况下从3.9瓦（1千瓦时）降至0.16瓦（5千瓦时），在WLTC-2工况下从12.7瓦降至0.51瓦。实测的温升下降幅度较缓（IUDC工况下，1-5千瓦时电池包的温升分别为11.5、7.3、4.1、1.8和0.5摄氏度），这与动态负载下的有效电阻大于直流电阻值（由于电荷转移和扩散极化）以及可逆热量与电流成线性比例的规律相一致[]. 数量级估算支持这一解释：以5–10 W/m·K的自然对流系数2 . ]和约0.078 m²的电池表面积hA20,36≈ 0.4–0.8 W/K，因此在IUDC条件下，仅由1 kWh电池包中的直流焦耳热产生的准稳态温升将为5–10 °C，而实测值为11.5 °C。−2 K−1 [38] and a cell surface area of about 0.078 m2 , hAs ≈ 0.4–0.8 W/K, so that the quasi-steady rise produced by DC Joule heat alone in the 1 kWh pack would be 5–10 °C under the IUDC, compared with the measured 11.5 °C. (ii)
工况严重程度。温度上升与均方根（RMS）倍率相关，而非峰值倍率。对于1 kWh电池包，IUDC、WLTC-1和WLTC-2的均方根倍率分别为1.39、1.88和2.52（表3），温度上升分别为11.5、15.3和17.5 °C。WLTC-1的峰值倍率低于IUDC（3.5C对比4.0C），但产生的温升更大，因为其中速阶段持续数百秒的高电流。0.5 kg电芯的热惯性过滤了短时峰值，这解释了图14, 图17和图18. (iii)
自然对流下的环境温度。因为对流损失取决于温差− T而非环境水平，且热量产生在25–40 °C范围内变化微弱，因此预计高于环境温度的温升几乎与T无关amb ，这与观察结果一致（amb 图14图15, 图16, 图17, 和图18]。LFP电池中报告的随温度升高而发热量略有减少[]，如果说有什么影响的话，这会降低在较高环境温度下的温升。因此，环境温度设定了基准，并决定了是否能满足TMT要求。20] would, if anything, reduce the rise at higher ambient temperatures. The ambient temperature therefore sets the baseline and determines whether the TMT can be met at all. (iv)
在高环境温度下，强制通风的降温效果逐渐减弱。图25比较了自然对流与强制通风下的温升情况。在25°C时，强制通风使温升降低了28–41%，但在40°C时仅降低了4–20%，且强制通风下的温升随环境温度升高而增加（例如，在IUDC条件下，1 kWh电池组的温升从8.2°C升至11.0°C）。已有研究报告指出，风冷电池组的空气冷却效果也会随环境温度升高而出现类似下降[39]。在当前的封闭腔室中，风扇会循环腔室内的空气，这些空气已被灯加热器加热；在高设定值下，加热器运行的时间比例更大，因此电池处的局部空气温度和来自灯的辐射负荷很可能超过标称设定值，从而降低有效驱动电位。这一解释需要通过测量电池上游的局部空气温度来证实，并且它被列为 − 第3.8节air . This interpretation requires confirmation by measuring the local air temperature upstream of the cell, and it is listed as a limitation in Section 3.8. 图25。 高于环境温度的温升（Tmax − Tamb ），在自然对流和3 m/s强制空气条件下，针对（）1 kWh和（ –）2 kWh电池组在IUDC、WLTC-1和WLTC-2工况下的表现。2 kWh电池组在WLTC-1和WLTC-2工况下的自然对流数值取自 表5和 –表6 ) 2 kWh packs under IUDC, WLTC-1 and WLTC-2 loading. Natural-convection values for the 2 kWh pack under WLTC-1 and WLTC-2 are taken from Table 5 and Table 6.
3.7. 与已发表研究的比较 表8将当前结果与已发表的实验和数值研究进行了比较。其数值与20 Ah LFP电池的恒流数据一致：Panchal等人[19]在4C放电结束时测得58.1 °C，而本研究的动态循环（1 kWh电池组峰值倍率高达6.5C，但均方根值仅为1.4–2.5C）在25 °C环境温度下产生的温度为36.5–42.5 °C。这证实了在驱动循环负载下，决定大尺寸电池温度的是均方根电流而非峰值电流。在印度驱动循环下，Napa等人[23] 预测夏季自然对流下组件最高温度为60°C，电池间温差ΔT为8.8°C，并表明25°C、2m/s的强制风冷可将温度Tmax 保持在≤45°C且ΔT≤4°C；目前的电池级测量结果显示出相同的规律（自然对流：最高57.5°C，ΔT最高8.3°C；强制风冷：大多数情况下ΔT<5°C）。在高环境温度下风冷效果降低的现象与Chaudhari等人[的结论一致39]，据报道，风冷翅片设计所实现的最高温度降幅从27°C环境下的约39%下降到41°C环境下的约13%。Malik等人[21]使用30°C的液体冷却剂将20 Ah的LFP电池包保持在所需范围内，这支持了对于35–40°C环境下的小型电池包需要低于环境温度或液体冷却的结论。在金奈25–48°C环境下运行的未冷却1.25 kWh三轮车电池包的现场数据[25]表明本文研究的1–2 kWh自然对流场景代表了当前印度的实际情况，且1和2 kWh电池组测得的5–8.3 °C温差（ΔT）远高于已被证明会显著加速退化的3 °C面内梯度[8]。总体而言，本研究结果与现有文献在定性上是一致的；其具体贡献在于针对大尺寸LFP软包电池，定量地绘制了这些效应随电池组尺寸、驱动循环和环境温度变化的映射关系。 表8。 本研究结果与已发表研究的对比。
3.8. 研究的意义与局限性 定性趋势，即较小电池包温度更高、环境温度更高以及循环更剧烈，均在预料之中；本研究的意义在于量化这些趋势在与炎热气候下低功率电动汽车直接相关的条件下的表现，并将其转化为设计规则。(i) 对于这款安装在200公斤车辆上的20 Ah磷酸铁锂软包电池，至少64个电芯组成的电池包（4 kWh级别）在自然对流的三种循环条件下，能将温升限制在4.5 °C，温差限制在3.2 °C，因此如果环境温度不超过30 °C，则可以省略冷却硬件。(ii) 对于1–2 kWh级别的电池包（16–32个电芯），环境空气冷却无法满足30°C以上的热管理目标，且在40°C时，即使采用强制风冷，1 kWh电池包在WLTC工况下也会达到55°C的安全极限；此类电池包需要低于环境温度的（基于制冷剂或冷水机组的）、液冷或相变材料辅助冷却，或者采用更大容量的电池包。(iii) 由于强制风冷的效益从25°C时的28–41%下降到40°C时的4–20%，因此应在最高预期环境温度而非室温下评估基于风扇的冷却系统。(iv) 对于驱动循环运行，电池热管理系统的尺寸设计应采用电池均方根充放电倍率而非峰值，作为合适的负载指标。这些结果为印度两轮和三轮车电池热管理系统的设计与验证提供了基于实验的输入数据。 本研究存在以下局限性。(1) 测试单体电池以代表电池组中的一个电池；未考虑电池间传导、外壳效应、并联电池间的电流不平衡以及封闭电池组内部产生的高温，因此结果代表了电池组内电池的下限。(2) 仅测量了表面温度；高倍率脉冲下的内部温度更高。(3) 读档曲线源自简化的车辆模型（恒定参考加速度、无再生制动、无传动系统损耗）以及以10-50秒间隔采样的行驶工况速度曲线，这些曲线平滑了短时瞬态；功率到电流的转换假设电池电压恒定。(4) 1 kWh电池组的最高WLTC-2电流峰值（≈6.5C，3.2 V时≈130 A）超过了电子读档的120 A额定值，因此可能受到了装备的限制。(5) 试验箱内的空气由受开关控制的灯加热，并通过风扇循环，未对电池处的局部空气温度和速度分布进行测绘；仅测试了一种空气速度（3 m/s）。(6) 未对重复性和老化效应进行量化。未来的工作将涉及多电池模块、包括再生制动在内的高分辨率行驶循环、更宽范围的空气速度以及低于环境温度的冷却。
4. 结论
电池包尺寸、驾驶循环和环境温度被视为独立变量，并根据两个不同的标准评估了磷酸铁锂软包电池的热响应：热管理目标（T4 ≤ 35 °C，ΔT ≤ 5 °C）和制造商的最高运行限制（55 °C）。max 在自然对流条件下，1 kWh电池包在IUDC、WLTC-1和WLTC-2工况下的温升分别为11.5、15.3和17.5 °C，而5 kWh电池包的温升随电池包尺寸增加而降低至0.5–2.0 °C，这与1/ 电池电流的标度以及均方根充放电倍率的主导作用。这种上升几乎与环境温度（25–40 °C）无关。N scaling of the cell current and the dominant role of the RMS C-rate. The rise was practically independent of the ambient temperature (25–40 °C). 将环境温度从25°C提高到40°C，使电池温度升高了约15°C，1 kWh电池包的最高温度分别达到51.5°C（IUDC）、55.3°C（WLTC-1）和57.5°C（WLTC-2）；将电池包容量从2 kWh增加到5 kWh，最高温度降低了6.6–7.4°C。 在自然对流条件下，仅4和5 kWh电池组在最高30 °C的环境温度下满足了所有循环的热管理目标（3 kWh电池组在IUDC条件下也满足了目标）。1和2 kWh电池组在所有环境温度下均超出了目标，原因是Tmax ，ΔT（5–8.3 °C）或两者兼有。 在35°C和40°C的环境温度下，没有任何环境空气策略能达到35°C的目标；此时相关的标准是55°C的安全极限和均匀性。只有1 kWh电池包在40°C环境温度下的WLTC-1和WLTC-2工况中达到了安全极限（自然对流：55.3和57.5°C；WLTC-2工况下的强制风冷：55.4°C）。 在3 m/s的强制风冷下，大多数工况的ΔT保持在5°C以下，且在所有测试工况中，2 kWh电池包的温度都至少比安全极限低7.9°C，但仅在25°C环境温度下才能达到目标。其降温效果从25°C时温升降低28–41%下降到40°C时仅降低4–20%。 对于在高温环境下运行的1 kWh级电池包（16个电芯），需要增强的热管理（低于环境温度、液冷或相变材料辅助冷却，或更大的电池包），而3 kWh及以上的电池包在所有测试条件下通过自然对流均能保持在安全限值内；因此，未对2 kWh以上的电池包进行强制风冷测试。 未来的工作将把研究扩展到多电芯模块、具有再生制动功能的高分辨率驾驶循环、更宽范围的风速以及低于环境温度的冷却。
