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大尺寸方形锂离子电池热特性分析与仿真

   次浏览   新能源Leader   2020-07-27

随着电动汽车产业的快速发展,乘用车锂离子电池的市场需求快速增加,一般而言电池组主要分为两大部分:由锂离子电池单体组成的电池模块和电池控制系统BMS。为了达到电动汽车所需要的容量和电压,电池组都是将单体电池通过串联和并联的方法组合在一起,串联可以提高电压,并联可以提高容量,例如特斯拉电动汽车的电池组就是由数千只圆柱电池串联和并联组成的,如此众多的单体电池之间必然存在着制造差异,为了能够保证电池的安全性和使用寿命就需要电池组BMS对电池的电压进行监控,防止电池组部分电池的电压过高或者过低;对温度进行监控,防止出现局部电池过热;并对串联电池之间的电压的不一致及时均衡,防止部分电池发生过充或者过放。也就是说,电池组BMS的复杂程度会随着单体电池数量的增加而迅速增加,因此为了降低成本,降低BMS的复杂程度,许多厂商转而采用容量更大的单体电池,大容量的单体电池会极大的减少电池组内单体电池的数量,降低BMS的管理难度。但是随着电池容量的增加也带来了一系列的问题,例如电池的散热问题,以及电池在滥用的情况下的安全问题等,这些都是需要我们在设计大容量单体电池需要进行考虑的。


1.大尺寸方形锂离子电池热特性分析


考虑到空间的利用效率和电池组热控系统的特点,目前乘用电动汽车电池组普遍采用了方形锂离子电池,相比于圆柱形锂离子电池,方形锂离子电池在热特性上具有其自身的特点和优势。英国华威大学的Thomas Grandjean[1]针对大容量的方形锂离子电池进行了研究,Thomas Grandjean发现随着锂离子电池尺寸的增大,电池内极片层数增加,电池的散热受到一定的阻碍,因此会在电池内部垂直于极片的方向和水平方向存在一定的温度梯度,这也会为电池组的热管理系统带来不小的挑战。

为了了解大尺寸方形锂离子电池的热特性,Thomas Grandjean针对商用20Ah方形LFP电池在不同的放电倍率下,电池内的温度梯度分布进行了详细的研究,研究发现环境温度和电池的放电电流都对电池的温度都有密切的关系,下表详细介绍了在不同的放电电流和环境温度下电池的温升。从下列数据可以看出,环境温度越低,放电倍率越大则温升越大。



在锂离子电池内部电流分布和散热受到电池结构、极耳的形状和位置等因素的影响,因此放电过程中,电池不同部分的温度变化也存在很大的不均匀性。电池不同部分的温升图如下图所示,从温升分布来看,在较大的放电倍率下电池内的温度分布是极不均匀的,电池中间部分温度要远高于其他部分,极耳部分则在大多数条件下温度都是最低的(主要是与导线连接带走了部分热量),但是在10C倍率下由于Al极耳自身产热较大,导致其温度较高。



由于受到极片热导率较小的影响,在垂直电池方向上Thomas Grandjean发现电池也存在着较大的温度梯度,并且这一温度梯度受到电池放电倍率很大的影响,如下图所示,在10C的大倍率下电池两侧表面的温度差值可达到20℃左右,随着电流的下降,温度梯度逐渐降低。温度梯度的存在会导致电池在使用过程中电流分布和SoC的不均匀,导致局部老化加速,进而影响电池的使用寿命。



电动汽车在使用的过程中会面临着启动、急加速等特殊情况,需要锂离子电池进行大电流的放电,由于锂离子电池极化和欧姆阻抗的存在导致电池在大电流条件下产热极速增加,因此对于大电流下的大尺寸电池的热特性研究也是锂离子电池在实际应用中需要关注的重点。戴姆勒汽车公司旗下生产锂离子电池的子公司Dt. ACCUmotive GmbH& Co KG(为梅赛德斯-奔驰提供动力电池)的C. Veth[2]50Ah方形电池在大电流下的热特性进行了详细的研究,为电池的电-热模型的建立提供了高质量的数据,并为预测大尺寸电池内的温度、电流、电压、SoCSoH的分布提供数据支持。


50AhNMC/C方形电池在300A电流下放电过程中电池表面温度变化如下图所示(图a,放电开始10s;图b,放电中间250s;图c,放电结束585s),从图上可以看到放电开始的时候高温区主要在靠近负极极耳的一侧,这主要是因为铜箔比较薄,导致阻值要高于更厚的Al箔,但是在放电的后期由于受到电池边界条件和电池形状的影响,电池高温区转移到了电池的中间部分。


C. Veth同样发现在电池组内的单体电池温度梯度随着放电电流的增大而增大,随着温度的提高而减小,如下图所示。


锂离子电池不同的老化模式会对电池产生不同的影响,这也会对锂离子电池在大电流下的热特性产生影响,C. Veth研究发现不同的电池老化模式会对锂离子电池的热特性产生截然不同的影响,下图中分别为日历老化的电池(图a),大电流循环老化电池(图b),小电流循环老化电池(图c)在250A放电后电池的温度分布图像,可以看出,不同的老化模式下电池的最热区域也有所不同,日历老化的电池由于存在气室,导致在电池的边角处存在一个非活性区,高倍率循环老化电池在负极极耳位置附近存在内阻增加的非活性区域,在低倍率循环电池中这一现象更加显著,内阻增加的非活性区域仅一步扩大。


2.结构设计对大型方形电池热特性的影响


锂离子电池的极耳形状和位置对于电池内的电流的分布、产热和散热都有着极其重要的影响,因此对于大尺寸锂离子电池热特性的分析还需要考虑极耳的形状和位置等特性。慕尼黑工业大学的Stephan Kosch[3]利用二维电-热极化模型对锂离子电池极耳的形状和位置对大尺寸锂离子电池的热特性的影响进行了研究,电池模型如下图所示。


下图是利用该模型对锂离子电池的热特性进行仿真的结果(右侧)与实验结果(左侧)进行对比(4C放电),可以看到仿真结果与实验结果符合的非常好。



为了提高锂离子电池的能量密度减小极耳的尺寸,降低集流体的厚度时常用的方法,因此Stephan Kosch利用上述模型对下图所示的四种接耳结构和分布方式进行了模拟,并分析了不同的集流体厚度(TCC1,负极=15um,正极=25umTCC2,负极=10um,正极=17umTCC3,负极=7.5um,正极=12.5um)对方形锂离子电池热特性的影响,



这极耳和不同厚度的铜箔的组合方式的方形锂离子电池的温度和能量密度特点如下表所示。可以看到通过降低集流体的厚度,可以将电池的能量密度从134Wh/kg,提高到约147Wh/kg



下图为A1A2两种极耳宽度、不同的集流体厚度的电池内部DOD和温度不均匀的模拟结果,从图中可以看到极耳越窄、集流体越薄则DOD和温度的不均匀性也就越大,这主要是受到极耳和集流体的欧姆阻抗增加的影响。



通过对比A1A2B1B2(如下图所示)的仿真结果发现,把电池的正负极极耳放置在电池的两侧能够明显的减少电池DOD(降低约50%左右)和温度的不均匀性。


大尺寸方形锂离子电池在放电过程,特别是大电流放电过程中,由于电池极化和欧姆阻抗的作用会导致电池的内部产热极速增加,受到电池散热边界条件的影响,电池中间温度升高要明显快于电池边缘部分,因此会在电池内产生较大的温度梯度,同时在垂直于电池极片的方向由于散热受到电极极片自身的阻挡也存在明显的温度梯度,温度梯度的存在会导致电池内的电流分布和SoC状态不均匀,从而导致锂离子电池局部老化的加速,影响锂离子电池的使用寿命。我们需要在电池组的热控设计上对于方形锂离子电池的特点予以考虑,减少大型锂离子电池内部的温度梯度。在电池结构设计上,我们注意到大性锂离子电池极耳的尺寸、位置和厚度都对锂离子电池内的温度梯度和SoC分布有显著的影响,集流体变薄和极耳减小会导致电池内部的DOD差异和温度差异增加,这也是需要我们在高比能电池设计中需要特别注意的,电池结构调整能够显著的影响电池内的不均匀性,例如将正负极极耳的位置调整到电池的两侧能够有效的改善这种电池内部的不均衡。大型锂离子电池的电-热过程是一个非常复杂的过程,受到多种因素和边界条件的影响,因此在电池组的热管理设计时还需要我们进行更多的针对性的研究。


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