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锂离子电池散热特性分析

  新能源Leader   2020-03-14 次浏览

在锂离子电池工作的过程中由于欧姆阻抗和极化等因素会导致持续的产热,而由于锂离子电池在垂直极片的方向存在接触热阻,以及高热阻的隔膜等因素,导致其散热较差,在电池内部产生较大的温度梯度,而温度梯度的存在会导致电流在电池内部的分布不均,因而进一步造成电池内衰降速度的不一致。


因此,如何做好散热是提升锂离子电池性能的关键之一。近日,英国帝国理工学院的Alastair Hales(第一作者)和GregoryOffer(通讯作者)等人对锂离子电池的散热特性进行了研究,并提出了散热系数(CCC)的概念,对于特定的电池和散热措施下,电池的散热系数(CCC)是一个常数,因此可以根据该系数对不同电池的散热效果进行比较


锂离子电池的热量从来源上来分主要可以分为两类:1)可逆的熵变热;2)不可逆热,如欧姆阻抗热,电荷交换阻抗热等,因此锂离子电池在工作过程中的产热功率可以用下式来表达,其中式中第一项为不可逆热,第二项为可逆的熵变热。


锂离子电池除了产热外,散热同样重要,锂离子电池的散热特性受到电池形状,电池材料和散热方式等的影响,在该项研究中作者提出了一个标准的散热系数概念,在实验中作者将散热方式统一为效率更高的极柱散热方式,从而避免了电池形状对于散热系数的影响。实验中作者采用了两种尺寸的软包锂离子电池作为研究对象,其电池参数如下表所示。其中电池A为高功率型5Ah电池,电池B为高比量型7.5Ah电池,电池A的正极为NCM111材料,电池B的正极为Li(Ni0.4 Co0.6 )O2材料,表2为两种电池内部电芯的基本参数和热特性参数。

实验中用于测试AB两款电池的发热特性的装置如下图所示,其中用于电连接的母线也同时起到了极耳散热的作用,实验中作者采用了15K型热电偶用于测量电池和烘箱温度的变化,这些热电偶的具体分布如下图所示。

电池通过正负极的母线的散热速率可以通过下式表达,其中ABB位母线的截面积,而ΔTBBneg位母线上的两个测温点之间的温差,对于负极位9号和10号测温点之间的温差,对于正极则为1112号测温点之间的温差

实验中为了测量锂离子电池在不同的SoC状态下的发热特性,作者作者采用了脉冲放电的策略,也就是以20A脉冲充电1s,然后20A脉冲放电1s,持续6个小时,保证电池在整个过程中都维持同一个SoC,这一过程的热量主要来自于不可逆热。

下图为作者采用模型对下图a所示结构的锂离子电池在脉冲充放电过程中的温度变化进行了模拟,从下图b能够看到在20A脉冲和50%SoC条件下,采用极耳散热时电池内部的温度差别小于1℃,而如果在电池的一侧施加一个1.49W的加热条件下电池内部最大的温差就会增加到3℃(如下图c所示),如果在电池的两侧同时施加一个1.49W的加热,则我们能够从下图d中看到电池内部的温差又变的非常小,从模拟结果来看,脉冲充放电能够在锂离子电池内部产生一个较为均匀的温度场。

实验中作者共测试了3个电池A1个电池B,实验安排如下表所示。

下图为上表所示的实验1中的电池在脉冲充放电过程中的热功率曲线,热功率曲线可以分为两类:1)产热功率;2)散热功率,从下图能够看到在开始的非稳态时电池的温度会缓慢的升高,随着电池极耳处温度与母线散热处温差不断增大,电池通过母线的散热功率也在不断增大,当产热功率与散热功率相等时电池就达到了一个稳态状态。

下图为电池正极和负极极耳的散热功率的对比,从图中能够看到由于负极极耳为铜,因此热量沿着负极的散热功率要比正极更快,从下图b的正极极耳与负极极耳的散热功率的比值可以看到,在不同的工况下,正极极耳的散热功率仅为负极的70%左右。

由于在该实验中锂离子电池的热量主要是通过正极极耳、负极极耳扩散出去,因此在计算锂离子电池的散热系数时作者也分别计算了负极散热系数CCCneg,正极散热系数CCCpos,以及电池总散热系数CCCtot(如下式所示)。下图为利用实验1中稳态阶段数据计算得到的三个散热系数,从下图我们能够看到负极的散热系数要显著高于正极。

下图为电池A1在不同SoC和不同的电流下计算得到的正极、负极和电池的散热系数,从下图我们不难看出电池的SoC状态和工作电流对于电池的散热系数没有影响,这表明无论电池处于何种工况,只要能够达到热平衡,我们就可以计算电池的散热系数。

下图为三种电池在不同实验中正极、负极和电池的散热系数,从图中能够看到对于同种电池,散热系数是恒定的,不受工况和电池SoC等因素的影响。

下表为AB两种电池的散热系数对比,可以看到对于两种电池而言负极的散热系数都要显著高于正极,而电池A由于采用了功率型的设计,因此散热系数也要明显高于电池B,其中A电池的负极散热系数比B电池高65.13%,正极散热系数高63.18%,电池整体散热系数高62.70%

作者最后列举了一个散热系数的应用举例,作者假设使用A电池或者B电池组成一个15Ah的电池组,该电池组需要满足4C连续放电,但是电池使用要求最高温度不高于40℃,根据计算A电池工作过程中的发热功率为4.97WB电池的发热功率为8.28W,因此在达到热平衡时电池极耳与散热之间的温差可以按照下式19计算,从计算结果来看,对于B电池而言温差需要达到40.59℃,因此为了满足电池最高温度不超过40℃,也就意味着散热端温度需要在-0.59℃以下,如此强的冷却环境通常意味着高昂的冷却成本,因此在实际中并不具备可行性。但是我们再看电池A,由于其发热功率较小,因此达到热平衡时电池极耳与散热端的温差仅为14.97℃,这也就是因为即便是散热端的温度在25℃左右时,电池的温度也满足小于40℃的要求,因此不难看出在这一应用条件下,只有电池A才是满足需求的。

长期以来锂离子电池的热设计是一项比较复杂的工作,需要大量的实验数据以及复杂的仿真模拟,而Alastair Hales通过提出热扩散系数的方式极大的简化了电池的热设计工作,同时又能很方便的对比不同电池之间的散热能力,对于锂离子电池的热设计具有重要的参考价值。

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