鋰離子動力電池充放電熱特性及散熱方案研究

鋰離子動力電池充放電熱特性及散熱方案研究

與其他電池相比，陰離子電池在能量密度、功率密度和使用壽命方面具有優(yōu)勢，是目前電池行業(yè)的主要趨勢。電池性能、壽命和安全性均與電池溫度密切相關(guān)目前，針對電池的熱性能與熱管理的研究大多集中在圓柱和方形硬殼電池，對三元軟包裝電池，特別是電池模塊和電池包研究較少。本文作者從三元軟包裝電池單體產(chǎn)熱、電池模塊散熱及電池包熱管理等3個方面，進(jìn)行實驗研究工作。1實驗1.1單帶電池的充電熱性能1.1.1電池單體生熱特性測試鋰離子電池的熱特性受溫度、充放電倍率等因素影響較大，以24Ah三元軟包裝鋰離子電池(洛陽產(chǎn))為研究對象，在EM-10KA高精度恒溫箱(廣州產(chǎn))中和自然散熱條件下，用PEBC05-60電池單體測試系統(tǒng)(南京產(chǎn))實驗研究不同溫度如不同充放電倍率時的生熱特性。實驗過程中，電池單體表面溫度傳感器T型熱電偶(上海產(chǎn))的分布如圖1所示。1.1.2恒流充電系統(tǒng)設(shè)置不同倍率恒流充電:恒溫箱設(shè)置為25℃，電池置于其中完成環(huán)境適應(yīng)后，以0.3C恒流放電至2.80V;然后在25℃的環(huán)境溫度下完成環(huán)境適應(yīng)，再以不同倍率(0.3C、0.5C、1.0C和2.0C)恒流充電至截止電壓4.30V。不同溫度恒流充電:恒溫箱設(shè)置為:0℃、25℃、35℃和50℃，將電池置于其中完成環(huán)境適應(yīng)后，以0.3C恒流放電至2.80V;然后在設(shè)置的環(huán)境溫度下完成環(huán)境適應(yīng)，再以1.0C恒流充電至截止電壓4.30V。不同倍率恒流放電:恒溫箱設(shè)置為25℃，將電池置于其中完成環(huán)境適應(yīng)后，以0.3C恒流充電至4.30V;充電完成后再次完成環(huán)境適應(yīng)，再以0.3C、0.5C、1.0C、2.0C、3.0C和4.0C進(jìn)行恒流放電至2.80V。不同溫度恒流放電:恒溫箱設(shè)置為:-20℃、0℃、10℃、25℃，將電池置于其中完成環(huán)境適應(yīng)后，以0.3C恒流充電至4.30V;充電完成后在設(shè)置的環(huán)境溫度下完成環(huán)境適應(yīng)，再以0.5C恒流放電至2.80V。1.2電池模塊的熱方案1.2.1電池單體方案電池模塊是電動車輛電池包的重要組成單元，由電池單體通過一定的串并聯(lián)方式連接而成。電池模塊的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計對電池包的熱管理性能具有重要作用。在大倍率充放電的過程中，電池產(chǎn)熱功率較大，如果得不到有效疏散，會導(dǎo)致電池溫度持續(xù)升高，造成使用性能下降和壽命損耗，嚴(yán)重時會發(fā)生熱失控。以24Ah三元軟包裝鋰離子電池為研究對象，電池單體以3并8串連接方式組成電池模塊，設(shè)計兩種不同的散熱方案，t方案一、二如圖2所示，在兩只單體電池大面之間設(shè)置散熱板，電池產(chǎn)生的熱量通過散熱板傳導(dǎo)至冷卻系統(tǒng)。由于軟包裝電池單體四周存在封印邊，電池底部無法與散熱板形成良好接觸，產(chǎn)生的熱量先橫向傳導(dǎo)至散熱板，再由散熱板縱向傳導(dǎo)至導(dǎo)熱墊，然后傳導(dǎo)至液冷板，最終被循環(huán)液通過對流換熱帶走。方案二在單體電池之間不設(shè)置散熱板，在電池底部和液冷板之間填充導(dǎo)熱硅脂。產(chǎn)生的熱量直接縱向傳導(dǎo)至導(dǎo)熱硅脂，再傳導(dǎo)至液冷板，最后被循環(huán)液通過對流換熱帶走。對上述兩種散熱方案進(jìn)行測試對比，測試平臺系統(tǒng)包含LR8431-30數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(廣州產(chǎn)，溫度精度±0.5℃，電壓精度±1mV)、FTV4-300/50-60電池模塊測試系統(tǒng)(武漢產(chǎn))、電池模塊和LQ2000冷卻水循環(huán)機(北京產(chǎn)，溫度:0～60℃，流量:0.5～5.0L/min)。1.2.2電池模塊測試在相同工況下，對兩個電池模塊先后進(jìn)行單獨實驗測試，單獨實驗的步驟如下:(1)室溫下，將電池模塊的荷電狀態(tài)(SOC)調(diào)節(jié)至0;(2)將恒溫箱調(diào)整為40℃，電池模塊靜置不少于16h，完成環(huán)境適應(yīng);(3)以1.0C恒流充電至4.05V，轉(zhuǎn)0.5C恒流充電至4.10V，轉(zhuǎn)0.1C恒流充電至4.15V，停止充電，靜置30min;(4)電池模塊以1.0C恒流放電至2.80V，靜置30min;(5)重復(fù)步驟(3)和(4)，共進(jìn)行3次循環(huán);(6)充放電過程中，開啟液冷，入口溫度為15℃、流量為2L/min，循環(huán)結(jié)束后，停止液冷;(7)電池模塊在40℃恒溫箱內(nèi)靜置不少于16h，再次完成環(huán)境適應(yīng);(8)開啟液冷，記錄電池模塊在純冷卻時的溫度變化，40min后停止實驗。1.3包熱管理性能1.3.1電池包和管理系統(tǒng)目前，基于液體電池包熱管理系統(tǒng)在國內(nèi)外車企得到廣泛應(yīng)用。以3并92串電池包(包括3個3并16串模塊、2個3并18串模塊和1個3并8串模塊)為研究對象，根據(jù)液冷系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程如圖3所示，設(shè)計一款軟包裝鋰離子電池包熱管理系統(tǒng)，主要包括液冷板、管路系統(tǒng)、導(dǎo)熱硅脂和隔熱墊。如圖3所示，液冷板和管路系統(tǒng)構(gòu)成液體循環(huán)回路，導(dǎo)熱硅脂主要填充液冷板和模塊接觸縫隙，隔熱墊起到隔絕液冷板和電池箱體之間的熱量傳遞，減小熱量散失的作用。實驗測試系統(tǒng)主要包括LR8431-30數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、SDJ514A步入式高低溫箱(重慶產(chǎn))、BTS2000-800V/4×125A/4×100kW大功率充放電機(襄陽產(chǎn))和LK3500冷卻水循環(huán)機(北京產(chǎn)，溫度范圍5～60℃，流量范圍2～25L/min)。1.3.2電池包的充電機冷卻低溫加熱:將電池包靜置于-20℃恒溫箱中，完成環(huán)境適應(yīng)后，開啟液體熱管理系統(tǒng)，流量調(diào)整為12L/min，入口溫度40℃，當(dāng)電池最低單體溫度達(dá)到0℃時，停止加熱。高溫快充冷卻:常溫下調(diào)整電池包SOC為10%，然后靜置于40℃恒溫箱中，完成環(huán)境適應(yīng)后，通過充電機對電池包進(jìn)行1.5C快速充電。同時開啟液體熱管理系統(tǒng)，流量調(diào)整為12L/min，入口溫度15℃，當(dāng)SOC達(dá)到80%后，調(diào)整充電電流為0.3C，充電至4.30V。2結(jié)果與討論2.1單帶電池的充電流特征分析2.1.1高溫環(huán)境下1.0c充電過程溫升變化常溫(25℃)下，不同充電倍率電池表面平均溫度變化見圖4。從圖4可知，常溫(25℃)下，電池在0.3C、0.5C、1.0C和2.0C倍率下充電的最大溫升分別是0.45℃、0.59℃、1.56℃和8.07℃，充電倍率越高，溫升越大。0.3C小電流充電過程中，溫度變化會出現(xiàn)負(fù)值，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因為:電池充電過程是一個吸熱反應(yīng)，當(dāng)電池充電電阻產(chǎn)熱小于化學(xué)反應(yīng)所需熱量時，電池溫度降低。不同環(huán)境溫度下，1.0C充電電池表面平均溫度變化見圖5。從圖5可知，電池在0℃、25℃、35℃和50℃環(huán)境溫度下，進(jìn)行1.0C充電時的最大溫升分別是4.09℃、1.56℃、1.48℃和1.33℃，即電池表面的平均溫升隨著環(huán)境溫度的提高而降低。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是:隨著溫度的提高，電池內(nèi)部鋰離子遷移速度增大，電池直流內(nèi)阻降低，發(fā)熱功率變小。2.1.2放電倍率對電池溫升的影響常溫(25℃)下，不同放電倍率電池表面平均溫度變化見圖6。從圖6可知，在常溫(25℃)下，電池以0.3C、0.5C、1.0C、2.0C、3.0C和4.0C放電過程中的溫升分別是0.76℃、1.19℃、2.35℃、10.27℃、16.76℃和18.63℃，即隨著放電倍率的增加，電池發(fā)熱功率變大，溫升顯著增加。放電過程中，電池溫度的變化主要受到自然散熱和自身產(chǎn)熱等兩個方面的影響，放電初始階段，電池與環(huán)境溫度相近，散熱慢，熱量積累較快，溫升較快;放電進(jìn)行一段時間后，散熱功率與產(chǎn)熱功率接近，電池溫升變緩;放電進(jìn)行到最后階段時，受極化的影響，電池內(nèi)阻變大，產(chǎn)熱速率變大，溫升再次變快。不同環(huán)境溫度下0.5C放電電池表面平均溫度變化見圖7。從圖7可知，在-20℃、0℃、10℃和25℃環(huán)境溫度下，電池以0.5C放電時，最大溫升分別是3.61℃、2.46℃、1.93℃和1.19℃，即環(huán)境溫度越低，電池溫升越大，主要是因為環(huán)境溫度越低，鋰離子在電解液中轉(zhuǎn)移速度越低，電池內(nèi)阻越大，發(fā)熱功率越大2.2電池模塊的溫升分析方案一、二電池模塊充放電及純冷卻過程中的溫度變化見圖8。從圖8可知，采用散熱方案一的電池模塊，3次充放電過程中的最高溫度分別是42.90℃、41.40℃、41.10℃，平均溫度為41.80℃;3次充電的最大溫升平均值為3.8℃，3次放電的最大溫升平均值為6.60℃，平均溫升為5.20℃;在純冷卻(不充放電)過程中，t采用散熱方案二的電池模塊，3次充放電過程中的最高溫度分別是41.50℃、38.70℃、38.80℃，平均溫度為39.70℃;3次充電的最大溫升平均值為2.90℃，3次放電的最大溫升平均值為5.50℃，平均溫升為4.20℃;在純冷卻(不充放電)過程中，t根據(jù)上述分析可知，相比于散熱方案一，散熱方案二無散熱板，質(zhì)量輕、散熱面積小，但冷卻與均溫性能更好，充放電溫升和純冷卻溫差分別降低2.10℃和0.50℃。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因是:三元軟包裝鋰離子電池通常采用疊片工藝制作而成，正負(fù)極材料及隔膜的導(dǎo)熱系數(shù)小，約為0.2～0.4W/m·K，導(dǎo)致垂直電池大面方向的電池導(dǎo)熱系數(shù)小，熱阻大、散熱慢。2.3電池溫度變化-20℃低溫加熱過程電池溫度變化見圖9。從圖9可知，在-20℃低溫加熱過程中，加熱初期2min左右，電池溫度保持不變，主要是因為液冷板位于電池底部，溫度傳感器位于電池頂部，熱量的傳遞需要一定的時間。隨著加熱的進(jìn)行，系統(tǒng)溫差逐步增大，1500s后基本保持不變，整個加熱過程中，系統(tǒng)最大溫差為7.9℃，平均溫升速率為0.52℃/min。40℃高溫快充冷卻過程電池溫度變化見圖10。從圖10可知，在40℃環(huán)境溫度下1.5C快充過程中電池溫度逐漸升高，快充結(jié)束時達(dá)到最高為47.90℃，在0.3C充電階段，電池溫度又逐漸降低，整個充電過程最大溫差為3.90℃。3電池及電池模塊冷卻性能對比實驗研究發(fā)現(xiàn)，對于三元軟包裝鋰離子動力電池，充放電熱特性受環(huán)境溫度和充放電倍率影響較大，當(dāng)環(huán)境溫度降低或充放電倍率增大時，電池的產(chǎn)熱功率增加，導(dǎo)致溫升增大。在高溫環(huán)境下進(jìn)行大倍率充放電時，采取一定的散熱措施，合理控制電池溫度范圍。通過對兩種電池模塊散熱方案進(jìn)行實驗，散熱方案二的電池散熱