宁德时代CTP电池包热特性

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2020年9 月 26 日，宁德时代发布了全球首款 CTP 电池包。CTP 技术跳过电池模块的过程，将电池直接集成到电池组中。CATL 第一代CTP1.0电池包将体积利用率提高 15%~ 20%，生产效率提高一倍，并将电池组的零件数量减少 40%。同时，电池组的能量密度将从普通传统电池组的 140-150Wh/kg 跃升至 200Wh/g 以上。随后，陆续发布了CTP2.0和CTP3.0麒麟电池，电池性能不断提升。

锂离子电池的热管理一直是电动汽车开发中的一项关键任务，电动汽车电池的热特性可分为不同的放电速率和不同的冷却方式，但CTP电池组没有模组，而是直接由电芯组成，因此CTP电池的高低温区分布与传统电池组不同。CTP对电芯一致性要求较高，增加了热管理的难度。清华大学欧阳明高院士和冯旭宁课题组对宁德时代的第一代CTP电池包展开了一系列的热特性研究，首先他们在电池组内布置大量的热电偶，测试各种不同工况条件下的电池包内部温度分布，重现了电池包的温度场；然后针对CTP1.0电池的热-电化学性能开展了计算机模拟研究；最后研究了电池的热失控以及热失控蔓延过程。

图1 电池包结构图、冷却地板结构和单体电池结构

图2 热电偶温度传感器布置图

通过调节环境温度和改变充放电电流来实现不同的工作条件，详细测试工况如表1所示。

对于高速行驶+快速充电工况下，电池包温度演变过程如图3所示。CTP内部温度最高的区域是单元上方的母线，对应于M4上的位置4-11（43.4°C），母线温度比电池的侧面温度高 3°C。BMS数据显示，温差范围为0°C至3°C，最高温度位于位置3 (42°C)，最低温度位于位置 6 (39°C)。热电偶采集最高温度比BMS采集记录的最高温度高3.4°C。CTP电池包内部温度在第一个循环结束时最高。最大升温速率为0.045°C/s，出现在第一个快速充电的开始。

图3 高速行驶+快速充电工况下电池包温度演变过程

全工况下的测试表明，低温区位于M1和M3模块，高温区在大电流条件下位于M4，在低电流条件下位于M2，如图4所示。根据温度测试结果，对BMS温度采集点进行了优化，结果如图5所示，优化后所采集的温度包含了各种工作条件下可能的高温区和低温区。

图4 CTP电池包温度分布

图5 CTP电池包BMS温度采集点优化

此外，还研究分析了环境温度、行驶速度、路况、充电电流和液冷等对电池包温度响应的影响，结果如图6-10所示。快速充电+高速行驶工况下环境温度对电池包温度响应的影响如图6所示，-30°C 快充（FC），CTP 顶部区域的温度为 37.1°C，温差T diff为 8.7°C；电池侧面温度在33℃～39.5℃之间，温差为6.5 ℃；40°C 快充（FC），CTP 顶部区域高温46.5°C，低温43°C，温差T diff为 3.5°C；侧温在37.2 和 41.2之间，温差为4℃；低温环境可能增加 CTP 中的温度不均匀性，这主要是由于低温环境导致电芯内阻增加；温升速率，40 °C (0.036 °C/s)略高于 -30 °C (0.031 °C/s) 。

图6 快速充电+高速行驶工况下环境温度对电池包温度响应的影响

40℃下不同行驶速度对电池包温度响应的影响如图7所示，150km/h的速度行驶10 min 时，CTP 内部的最高温度点达到 48 °C，模块间母线的温差T diff在 4 °C 以内，电池两侧面的温度差T diff在3°C以内，在测试开始时温升速率d T/ d t达到0.043°C/s。80 km/h匀速行驶10分钟时，CTP电池内部温度变化很小，上部母线温差T diff在1°C以内，侧面温差T diff小于2°C。

图7 40℃ 下不同行驶速度对电池包温度响应的影响

不同路况对电池包温度响应的影响如图8所示，6%斜坡上匀速行驶20分钟后，CTP 内部最高温度达到 49.5 ℃，最低温度为 44 ℃，温差T diff为 5.5 ℃，电池侧面温度介于37和41°C之间，温差T diff 为4°C，温升速率d T/ d t (最大值)为 0.05 °C/s。波动速度行驶，母线与侧面的温度变化趋势一致，介于 34 和 36 °C 之间，温差T diff为 2 °C，温升0.002 °C /s 。大功率驱动的CTP电池温度较高，模块M4的温度一致性稍差。

图8 不同路况对电池包温度响应的影响

不同充电电流对电池包温度响应的影响如图9，1C充电时，M4单元温度最高为47.3℃，M1最低为42.1℃。温差T diff为 5.2 °C 。电池侧面温度在 40.7°C 和 43.2°C 之间，温差T diff 为2.5 °C。以/3C充电时，M2最高温度35°C，M1最低温度33°C，温差T diff为2°C。电池侧面的温度介于 33 和 35.1 °C 。1C 充电的 d T/ d t (max)远高于 1/3C 充电。

图9 不同充电电流对电池包温度响应的影响

液冷对电池包温度响应的影响如图10所示，关闭液冷1C放电结束时，CTP电池内部温度达到最高点46.8℃。最高温度在 M4 的位置4-11，最低温度为 41.7 °C，位于 M1 的位置 4-5，温差T diff为5.1 °C ，电池侧面温度在41.2 和43.8 °C 之间。温升速率d T/ d t (max)为 0.042 °C/s。开启液冷后，母线最高温度由46.8℃降至45℃，最大温差由5.1℃降至3.6℃。侧面最大温差从2.6℃下降到1.4℃。

图10 液冷对电池包温度响应的影响

图12 不同SOC和温度下的电池内阻和熵热系数

不同温度和SOC的电池内阻函数表达式为：

熵热系数函数函数表达式为：

采用加速量热仪（ARC）测量电池的比热容和热导率，快速冷却经过加热的电池测量对流换热系数，结果列入表3中。将这些参数输入模型，先采用单体电池的热模型与测试电芯在1C充电下的温升对比验证模型有效性。

为了与模拟结果对比，再次对电池包布置热电偶测量不同工作条件下的温度。如图13所示。在 M1-M5上，每个模块上有 5 个温度传感器。例如，M1 上的温度传感器分别标记为 1-1、1-2、1-3、1-4 和 1-5。这里M1-M5编号与图1有差别，特别是M5模块在M4上面（图1中M4在M5上面）

图13 电池包热电偶布置图

1C充电下CTP电池包和液冷板表面温度等高线

多级快充下下CTP电池包和液冷板表面温度等高线

1C充电和开启液冷下CTP电池包和液冷板表面温度等高线

图14 CTP电池包温度分布模拟结果

图15 M5模块上18个电池平均温度模拟结果

图16 单体电池内卷芯之间插入热电偶过程

图17 ARC测试时电池热失控典型过程及电池的温度、电压和温升率演变

对比电芯内部和表面的温度演变曲线，如图18所示。从这两个温度曲线看，热失控基本过程类似，但是内部最高温度比表面最高温度高487℃。

图18 电芯内部和表面的温度演变曲线

电芯内部四个卷芯之间放置三个热电偶，在防爆箱内在电池的一个侧面加热，观察电芯内部的热失控蔓延过程，实验过程如图19所示。实验结果如图20所示，其中1-2、2-3、3-4分别表示内部两个卷芯之间的温度，1F、1B、 1S分别表示挨着加热板的电池前面、背面和侧面的温度。V表示电压。从图中可见，整个电池内部的TR传播过程耗时11 s，#1卷芯到2#卷芯耗时6 秒，到3#卷芯4s，再到4#1卷芯s；TR传播的平均速度为6.9 mm/s。