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温度差2℃,电池寿命差一倍?!

   次浏览   本站   2019-10-18

锂离子电池凭借着高能量密度、长寿命的特性,在消费电子领域取得了巨大的成功,近年来在电动汽车产业快速发展的刺激下,锂离子电池又开始在动力电池领域开疆扩土。在电动汽车应用中锂离子电池通常需要通过并联、串联的方式组合成为模块,模块再组合成为电池包为电动汽车提供电能。根据单体电池的容量,通常一个电池包内会包含数百到数千只电池,例如特斯拉早期Model 3的电池包中使用了7000多只18650型号的单体电池。由于电池包内的空间非常有限,因此大量的单体电池堆积在一起就会带来一个非常严重的问题——散热。


在电池包内由于散热条件不佳,因此在电池包中间位置的单体电池的温度就会显著高于周边散热条件较好的电池,这会带来两个方面的影响:


1)首先是随着电池温度的升高,电池的内阻会显著的降低,因此在放电的过程中温度高的单体电池电流就会明显高于温度较低的电池,这就造成电池温度高的电池的衰降速度显著高于温度低的电池。北京大学的Quan Xia等人【1】研究表明当电池组内最大温差从2.5℃升高到4.62℃时,同样充电600Ah后,电池组的可靠性会从0.9328,下降到0.0635(如下图红色和绿色曲线所示),可靠性下降到0.0635基本上就意味着电池组的失效。相反的,如果我们提高冷却剂的流速,将电池组内的最大温差进一步降低到2.36℃,则电池组的循环可靠性还会进一步提高(如下图中蓝色曲线所示),由此可见电池组的使用寿命不仅仅受到单体电池的寿命影响,更受到电池组内温度均匀性的影响,电池组内最大温差升高2℃甚至可能导致电池组的使用寿命缩短将近一倍。

2)此外在电池组散热条件不佳的情况下导致部分电池温度过高,降低正负极的界面稳定性,本身就会导致电池的衰降加速。我们以常见的NCM622材料为例【3】,NCM622扣式半电池在20℃下循环100次后,容量保持率为87.5%,但是如果环境温度提高到60℃后,循环100次后扣式电池的容量保持率则仅为68.8%,高温严重的降低了NCM622材料的使用寿命。研究表明高温下NCM622材料会面临更加严重的过渡金属元素溶解和Li/Ni混排,从而导致NCM622颗粒的表层结构衰变,引起界面阻抗的增加和可逆容量的衰降【4】,这是引起NCM材料高温下衰降加速的主要原因。


鉴于温度对于单体电池和电池组寿命的巨大影响,在电池组设计中热管理系统占有非常重要的地位。电池组的热管理系统一般具有两种功能:1)加热,通常通过在电池表面贴加热带的方式实现对单体电池的加热,也有部分学者提出电池内部加热的方式提高加热效率【5】;2)散热功能,常见的散热方式主要包括风冷、水冷、热管和相变材料等,由于水的比热容比较大的,散热效果良好,因此水冷散热是目前最为常用的散热方式。例如特斯拉采用的电池组内部就采用了大量的蛇形管紧贴电池表面为单体电池进行散热,从而保证电池内部温度的均匀性,提高电池组的使用寿命。



水冷散热带来良好的散热效果的同时,也带来一个巨大的风险,一旦冷却液发生泄漏,会直接导致电池组内大量的电器设备发生短路,动力电池组的电压往往高达数百伏,短路事故的发生会产生严重的安全事故。因此,电池组的冷却系统在使用之前必须要进行密封性检测,然而电池组的冷却系统通常体积庞大,结构复杂,常规的差压、背压等检测方式并不适合对其进行检漏。


为了使电池包发挥最佳性能和寿命,需要优化电池包的结构,对它进行热管理,增加散热设施,控制电池运行的温度环境。


主要冷却方案


不同的热管理系统,零部件类型的结构不同、重量不同以及系统的成本不同和控制方式不同,使得系统所达到的性能也不相同。在进行电池包热管理系统类型设计选择时,需要考虑到电池的冷却性能需求,结合整车的性能以及空间大小,系统的稳定性和成本高低也是要考虑的因素。


▲图表1不同电池冷却方案优劣势比较


不同冷却系统工作示意


1、风冷


国内外电动汽车电池组的冷却方式上主要有以下几种:空气冷却、液体冷却、热管冷却。目前空气冷却方式仍然是主要采用的方法,空气冷却比较容易实现,但冷却效果不佳。


▲图表2典型风冷系统工作示意图


2、液冷


液体冷却有较好的冷却效果,而且可以使电池组的温度分布均匀,但是液体冷却对电池包的密封性有很高的要求,如果采用水这类导电液体,需用水套将液体和电池单体隔开,这样不仅增加了系统的复杂性而且降低了冷却效果。


一般冷却系统都是安装在电池组模块附近,原理和空调的制冷原理相似,冷却系统通过管路和单个电池模块相连,管路里循环流动冷却液(一般是乙二醇),将单个电池模块的热量带走,冷却系统将乙二醇制冷,多余热量通过风扇排到外界,而乙二醇再次循环进入电池模块,继续吸收电池散发的热量。


▲图表3典型液冷系统工作示意图


3、热管技术


热管技术可以满足电池组的高温散热与低温预热双工况要求,响应快,温度均匀性好,作为电池组新的冷却方法被提出后,有了一定的发展,且作为产业研究的重点方向,但是受到布置和体积的限制,目前还没有实车使用。


▲图表4热管技术工作示意图


从现有电动汽车动力电池冷却方式来看,风冷一直占据主要的位置,尤其是日系电动汽车,基本采用风冷系统。随着应用环境对电池的要求越来越高,液冷也成为车企业的优先方案,如特斯拉、宝马等品牌。我国主流电动乘用车企业也开始转向液冷系统,从中长期趋势来看,液冷将占据主流。


电池包冷却系统主要组件


不同的冷却系统有相对应的冷却组件:风冷系统主要部件为风机,液冷系统主要部件为冷却板。


风冷系统组件:冷却风道、风机、电阻丝


风机的选型直接影响电池包空冷系统的冷却效果。风机的选型要求如下:根据电池的热生成速率确定空气流量;满足每个模块的温升要求;基于系统所需空气流量以及系统的压降曲线选择满足要求的风机。


液冷系统组件:水冷管道、冷却泵、冷却阀、冷却板


冷却板作为电池包液冷系统中最关键的零部件之一,冷却板的选型至关重要。冷却板的选型必须满足如下要求:冷却板的压降必须满足客户要求;冷却水流动的一致性要求;爆破压力要求;冷却板的机械要求;冷却板必须通过振动和冲击载荷测试;冷却板必须满足公差要求以及空间尺寸要求。


      电池冷却系统组件生产企业众多,主要部件大多由传统电气企业提供,目前电池管理系统企业及PACK组装企业也有涉及定制化产品的生产 。

     德耐隆一直致力于为新能源汽车电池产业提供一个良好的保温隔热方案,同时也在与传统车企的接触中,我们也在思考德耐隆Telite技术是否能为转型的车企、新兴的动力电池企业贡献微薄之力。作为动力电池中的关键材料,有德耐隆Telite材料在锂离子电池的导热、阻燃、减震、防爆等方面得到了良好的应用。德耐隆是一种高分子材料,具有耐高低温、电气绝缘、耐腐蚀、抗氧化性、生理惰性等性能优点。产品可以根据这些特性、动力电池市场不同的类型以及客户的需求,开发出形态各异的产品。

     下面这些特性使德耐隆Telite保温隔热材料在各种电子设备和汽车应用中脱颖而出,并有助于您应对未来大容量锂电池系统和其他电动汽车部件的设计和生产的相关挑战:
•热阻极低
•可帮助加速和简化加工的流动、浸润和固化性 
•优异的热稳定性
•严酷条件下的可靠性能——耐热冲击、抗氧化、抗潮湿和耐化学品性 
•优异的电绝缘性(介电强度) 
•隔热保温(导热系数仅为0.03W/m.k)


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