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宁德时代CTP1.0电池结构
电池包结构如图1所示，大概尺寸为 2 m × 1.6 m × 0.5 m，包括五个单元M1、M2、M3、M4和M5，M1至M3平行分布，M4和M5垂直分布。每个模块由18个单体电池并排两列、串联组成，整个电池包由 90 个串联的电池组成。模块两端有两个铝制端板，用钢带绑扎，固定电池，防止电池产生变形。每个模块上方都安装了防火隔板。每个电池之间有一个 2毫米厚的橡胶隔板, 起到固定电池、缓冲振动的作用。电池底部用结构胶固定在铝制液冷板上，电池和液板之间导热胶大概2毫米，液冷板结构示意图如图1所示，冷却液的流向分为两部分，冷却液从进口进入后，流经不同的模块，从出口流出。CTP电池包标称电压332.1V，产品能量50.8kWh，产品重量320kg。单体电池如图1所示，尺寸为 148 mm × 103 mm × 76 mm，材料体系为C||NCM523，电池标称容量156Ah，比能量208Wh/kg，体积能量密度470Wh/L。电池内部有四个卷芯，并联装入电池壳内，顶盖上有正、负极极柱和泄压阀。
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如图2所示，在电池包内布置120个T型热电偶，温度范围为-200°C~150°C，热电偶精度为0.5°C。每个模块内，温度探测点呈梯形分布，梯形的上顶点温度点固定在位于模块上方的单元母线上，两个下顶点固定在液冷板表面。每个单元沿单元的X方向包括三个梯形分布。对于 M1 到 M3，每个梯形的底端与相邻单元共享相同的温度点。CTP电池包内，在模块上方的防火板内外均设有温度测试点，每个模块的两个侧面也分别设置了一个温度点。如图2所示，红色三角形代表单元母线温度，绿色方块代表液冷板表面温度，黄色菱形代表电池侧面温度。此外，紫色表示原来的 BMS的10个测温点。HIOKI LR8410数据采集仪用于数据采集，采集频率为1s。BMS自动采集CTP中原测温点的温度。测试前，按照以下步骤准备CTP电池：①将测试包以1/3C恒流充电至单体最大电压4.25 V，静置5 min，充电至当单体最大电压达到4.25V时电流在0.05C截止。②电池搁置30min，③以1/3C的恒定倍率放电至截止条件。④电池搁置30min，⑤重复步骤①至④两次。如果连续两次放电容量偏差不超过3%，则认为测试样品已完成准备；否则，更换测试样品并重复准备步骤。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。
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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。
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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
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图7 40℃ 下不同行驶速度对电池包温度响应的影响
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电池内阻、熵热系数和导热系数等基本热物理参数从实验中获得，然后结合电池热平衡方程和内部热源非稳态传导理论，对发热模型进行标定。最后，基于热传导结构，考虑底部液冷板的影响，建立CTP电池系统模型。对CTP电池系统的热特性进行了全面的探索和研究。基于准确的电芯热模型，建立了CTP电池包的数值计算模型，几何简化模型如图11所示。
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电池内阻同时受SOC和温度的影响。通过实验获得电池物性和模型参数，将SOC分为10个区间，温度从35℃到55℃分为8个区间进行HPPC测试，计算电池内阻。采用电位法测量电池的熵热系数。图12是不同温度与SOC下电池内阻以及熵热系数的关系。将内阻变化与SOC和温度拟合成多项式函数关系，用于建立电池后续发热模型。熵热系数通过多项式与 SOC 进行拟合，然后输入到发热模型。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）
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1C充电和开启液冷下CTP电池包和液冷板表面温度等高线
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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℃。
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此外，还组装了四个电池的基本模块，对其进行横向加热测试，观察电池的热失控蔓延过程。如图21所示，四个电池组装在一起，预紧力为2 N·m，相邻电池之间没有电连接。加热板和夹具之间有云母片，减少从夹具的热量散发。电池内部和表面布置了 19 个 K 型热电偶，同时采用数码相机、FLIR红外热像仪等仪器观测。
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图22 四个电池热失控过程，F、B、 S、IN分别表示挨着加热板的电池前面、背面、侧面和内部卷芯的温度。
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