高功率鈦酸鋰電池性能分析與散熱研究*

□ 楊 斌 □ 高迎慧 □ 劉 浩 □ 樊立萍 □ 陳洪濤 □ 嚴(yán) 萍,4

1.沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院 沈陽 110000

2.中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190

3.齊魯中科電工先進(jìn)電磁驅(qū)動技術(shù)研究院 濟(jì)南 250013

4.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點實驗室 北京 100190

1 研究背景

鋰離子電池模組在快速充放電的過程中會產(chǎn)生大量熱量,若散熱不及時就會造成電池溫度過高、模塊間溫度分布不均衡的問題,在高寒地區(qū)或低溫環(huán)境下,容易導(dǎo)致電量流失嚴(yán)重、充電緩慢等現(xiàn)象。常見的新能源車用電池本質(zhì)上是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能。眾所周知,溫度對化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行有著很大的影響,因此,電池的電性能很大程度上受到溫度的影響。近年來,新能源汽車因為電池溫度過高而產(chǎn)生自燃的現(xiàn)象屢見不鮮,故使電池始終處于一個適宜的溫度區(qū)間十分必要,對于電池高倍率放電引起的溫升進(jìn)行散熱也將是更值得關(guān)注的問題。

散熱管理最直接的目的是防止電池組的溫度過高,即抑制電池組的最大溫升,國外許多學(xué)者根據(jù)研究電池種類和形狀的不同,提出了各種各樣的設(shè)計方案,主要為風(fēng)冷、液冷、相變冷卻及熱管冷卻四種方法。其中,風(fēng)冷技術(shù)成本低,液冷除了需要盛放冷卻介質(zhì)的空間,還需要額外的循環(huán)系統(tǒng),相變冷卻及熱管理冷卻的方法則較為昂貴。單體電池間不可避免地存在差異,使電池模組內(nèi)部存在不一致的問題。為了縮減由電池模組電壓不一致問題引起的單體電池之間的差異,在試驗過程中對電池模組進(jìn)行電流為600 A,時間為60 s的放電測試。筆者在研究中采用液冷的方式,關(guān)于液體的主要細(xì)節(jié)及液體的流速問題不進(jìn)行細(xì)致的研究,僅觀察通過液冷散熱方式得到的效果。

由于每個電池模組由55個單體電池組成,在放電過程中表現(xiàn)出不一致性,因此在試驗中對電池模組進(jìn)行60 s的放電測試,這樣不會對電池模組中的單體電池造成一定的損傷。

2 試驗材料

以市場銷售的15 A·h鈦酸鋰電池為研究對象,對單體電池進(jìn)行不同倍率下的放電測試。對電池模組進(jìn)行電流為600 A,時間為60 s的放電測試,并記錄試驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

使用充放電設(shè)備對單體電池進(jìn)行不同倍率下的放電測試,充電電流為15 A,充電截止電壓為2.75 V,試驗過程中使用水冷機對水冷板中的液體進(jìn)行控制。單體電池樣式如圖1所示,圖中數(shù)字1～8為溫度檢測點位置,電池模組樣式如圖2所示。鈦酸鋰電池基本參數(shù)見表1。

▲圖1 單體電池樣式▲圖2 電池模組樣式

表1 鈦酸鋰電池基本參數(shù)

采用美凱林充放電設(shè)備對不同電流下的單體電池和電池模組進(jìn)行放電試驗,放電試驗過程中使用溫度巡檢儀對單體電池和電池模組的溫度變化進(jìn)行記錄,采用充放電設(shè)備的熱電偶對單體電池和電池模組進(jìn)行不同溫度點的數(shù)據(jù)記錄。

3 試驗步驟

試驗步驟如下:

(1) 恒流恒壓充電,以15 A恒流充電至截止電壓,然后轉(zhuǎn)至恒壓充電,直至電流降至0.75 A;

(2) 靜置1 h;

(3) 放電電流按設(shè)定值進(jìn)行放電,直至截止電壓或者達(dá)到預(yù)定的放電時間,放電步驟停止;

(4) 靜置1 h。

4 放電及電壓回升分析

通過對單體電池在不同電流下進(jìn)行放電,得到單體電池電壓隨時間變化曲線,如圖3所示。

▲圖3 不同電流下單體電池電壓隨時間變化曲線

由圖3可知,單體電池在放電過程中隨著放電電流的增大,單體電池到達(dá)截止電壓的速度不斷加快。由圖3還可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)放電截止后,電池會出現(xiàn)電壓回升,并且單體電池的放電電流不同,單體電池的電壓回升數(shù)值不同,上述回升過程單體電池處于靜置狀態(tài),單體電池?zé)o充電步驟。伴隨著單體電池放電電流的增大,單體電池的電壓回升數(shù)值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。具體的電壓回升問題由戴維南等效模型電路進(jìn)行解釋說明,如圖4所示。

▲圖4 戴維南等效模型電路

單體電池在高倍率放電情況下會出現(xiàn)極化現(xiàn)象,相對于15 A的電流放電,極化程度會更加復(fù)雜。圖4中,UOC為開路電壓,R0為歐姆內(nèi)阻,RP為極化內(nèi)阻,RL為外電路電阻,UL為單體電池與外電路接通后的閉路電壓,It為電路中電流,CP為極化電容。RP和CP的并聯(lián)電路可以對于極化進(jìn)行一定的描述,當(dāng)單體電池在高倍率放電結(jié)束時刻,CP元件將儲存的能量緩緩釋放,使單體電池在未充電情況下有一定程度上的電壓回升。不同倍率下電壓的回升數(shù)值不同,與單體電池的荷電狀態(tài)相關(guān),同時不同倍率下單體電池到達(dá)同一截止電壓時單體電池釋放的容量數(shù)值不同,最后使單體電池在不同荷電狀態(tài)下對應(yīng)不同電壓,導(dǎo)致單體電池的回升電壓不同。

5 電池溫度變化分析

在常規(guī)的放電倍率狀態(tài)下,電池的表面溫度不僅不會出現(xiàn)過大的溫差,而且整個單體電池表面溫度相對均勻。在高倍率放電狀態(tài)下則與普通倍率放電不同,不僅僅放電性能下降,同時也會出現(xiàn)更高的溫升。

圖5所示為單體電池不同測試點溫度變化。在675 A放電電流下,單體電池整體的溫度變化通過對單體電池八個不同部位的溫度進(jìn)行監(jiān)測,具體的監(jiān)測點位置在電池信息中進(jìn)行標(biāo)記。

▲圖5 單體電池不同測試點溫度變化

單體電池在放電過程中及放電結(jié)束后的溫度變化呈現(xiàn)出一定的差別,證明了在單體電池放電過程及放電結(jié)束后單體電池整體的溫度存在著差別。由圖5可見,溫度點4的最高溫度約為67 ℃。

圖6所示為1號電池模組中間位置在自然散熱狀態(tài)下的溫度變化曲線。除兩側(cè)邊緣的1號和55號單體電池以外,1號電池模組在放電結(jié)束200 s內(nèi)的溫度變化呈現(xiàn)出一致性,溫度的數(shù)值基本相同。圖6中最高溫度為69.87 ℃。

▲圖6 1號電池模組中間位置自然散熱狀態(tài)下溫度變化曲線

對3號模組中心的單體電池進(jìn)行上中下三個位置的溫度測試,在自然散熱狀態(tài)下不同部位溫度變化如圖7所示。由圖7可見,伴隨著單體電池的放電過程,單體電池上部的溫度最高,中部次之。在放電結(jié)束以后,單體電池處于靜止?fàn)顟B(tài),這時單體電池模組上部的溫度相對于單體電池中部和下部的溫度呈現(xiàn)出明顯的減小趨勢。

▲圖7 3號電池模組單體電池自然散熱狀態(tài)下溫度變化

通過對1號、3號兩個電池模組中不同單體電池的溫度變化曲線進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)兩個電池模組單體電池中部的溫度變化具有一致性,兩者可以相互進(jìn)行參考。

通過對兩個電池模組的溫度測試,不僅證明了高電流放電狀態(tài)下的極大溫升,同時也對電池模組表面的溫度不均勻問題給予了試驗數(shù)據(jù)說明。

6 散熱技術(shù)分析

通過對上述問題進(jìn)行分析,可以明確在高電流放電狀態(tài)下,無論是單體電池還是電池模組都會產(chǎn)生溫升,對電池的正常使用帶來一定的負(fù)面影響。筆者提出液冷散熱方式,并且通過試驗與仿真相結(jié)合的方式,驗證了液冷散熱方式在電池模組高電流放電情況下的良好效果。

電池模組由55個單體電池串聯(lián)組成,為了縮小單體電池表面溫度差,在每兩個單體電池之間安裝散熱鋁片,在進(jìn)一步的試驗中對電池模組進(jìn)行60 s的放電,更好地避免由于電池模組中的單體電池高電流放電造成損傷以及出現(xiàn)不一致性問題。電池模組試驗連接如圖8所示。

▲圖8 電池模組試驗連接

在試驗中,對電池模組采用液冷的散熱方式,在試驗仿真過程中主要應(yīng)用水冷板、單體電池、散熱鋁片、導(dǎo)熱界面材料。在仿真過程中對水冷板進(jìn)行了簡化處理,直徑為5 mm的水冷板圓形進(jìn)水口被替換為邊長為4.5 mm的方形進(jìn)水口。

仿真過程中,外界環(huán)境設(shè)定為21.5 ℃,與試驗測試環(huán)境基本一致。

電池模組由55個單體電池串聯(lián)組成,在上述分析中通過圖像可以觀察到單體電池在放電過程中內(nèi)部溫度呈現(xiàn)出不均勻性,為了縮小單體電池表面溫度差,在每兩個單體電池之間安裝散熱鋁片。電池模組組成如圖9所示。

▲圖9 電池模組組成

試驗過程中,對1號電池模組每間隔五個單體電池進(jìn)行中部溫度測試,對3號電池模組最中間單體電池的上中下三個位置進(jìn)行溫度測試,觀察液冷狀態(tài)下兩個電池模組中單體電池的溫度變化。

1號、3號電池模組液冷狀態(tài)下溫度變化曲線分別如圖10、11所示。

▲圖10 1號電池模組液冷狀態(tài)下溫度變化曲線▲圖11 3號電池模組液冷狀態(tài)下溫度變化曲線

由圖10和圖11可見,1號電池模組在采用液冷散熱方式以后,最高溫度約為63.25 ℃,相比于自然散熱狀態(tài)溫度下降明顯。自然散熱狀態(tài)下的單體電池在放電結(jié)束45 min時溫度仍然為48.87 ℃,采用液冷散熱方式以后,單體電池在放電結(jié)束25 min后絕大多數(shù)降為35.06 ℃,不僅時間有明顯縮短,而且最大溫升值也相差13.81 K。

為了防止電池模組在放電過程某一單體電池最先到達(dá)截止電壓,避免對單體電池造成一定的損傷,在試驗過程中統(tǒng)一對電池模組進(jìn)行60 s的放電測試,觀察電池模組不同電流下的電壓變化情況,以及不同電流下的溫度變化。圖12所示為電池模組不同電流下的電壓變化曲線。

從圖12可以發(fā)現(xiàn),伴隨著放電電流的逐漸增大,電壓的下降趨勢逐漸增大,每個電池模組由55個單體電池串聯(lián)而成,由于單體電池在制作過程中存在著一定的差異,電池模組中的單體電池具有不均一性,例如,電池模組在一定的放電電流狀態(tài)下,當(dāng)單體電池釋放相同的容量時,單體電池電壓的下降值不同。

▲圖12 電池模組不同電流下電壓變化曲線

為了防止電池模組中單體電池更快地到達(dá)截止電壓,避免由于單體電池的性能衰減對于電池模組造成損傷和影響,以及由于長時間放電產(chǎn)生極大的溫升對于電池模組造成影響,在散熱試驗中對電池模組進(jìn)行60 s的放電,觀察電池模組的溫度變化并驗證液冷散熱方式的效果。

通過軟件仿真記錄不同時間下的溫度變化,圖13所示為1 min、20 min、40 min時間下的電池模組溫度變化及分布。

▲圖13 電池模組溫度變化及分布

不同時間下水冷板溫度變化及分布如圖14所示。由圖14可見,不同時間下水冷板最高溫度依次為25.8 ℃、24 ℃、22.6 ℃。

▲圖14 水冷板溫度變化及分布

取電池模組中間位置的單體電池作為參考,由圖13可見,電池模組受水冷板的影響主要在靠近水冷板的下側(cè)方。電池模組溫度隨時間變化的情況基本與試驗情況符合,從放電結(jié)束的65.9 ℃,到20 min時的39.8 ℃,再到40 min時的29.4 ℃,溫降由0～20 min的1.305 K/min降低到20～40 min的0.52 K/min,由此可見,隨著電池模組與水冷板的溫差降低,傳熱效率也降低。

對試驗和仿真過程選取幾個階段進(jìn)行對比分析。經(jīng)統(tǒng)計,放電結(jié)束后電池模組中間位置的仿真溫度為65.36～66 ℃,試驗測試值為61.31～63.29 ℃。在20 min后仿真溫度為36.60～39.43 ℃,試驗測試值為35.78～40.65 ℃。在40 min后仿真溫度為27.34～28.80 ℃,試驗測試值為27.33～31.59 ℃。通過不同階段的溫度對比,可以明確仿真溫度與試驗測試值基本相同。同時表明通過液冷的散熱方式,電池模組的溫升得到有效控制。在高倍率放電過程中,對于電池模組采取液冷的散熱方式,在縮短散熱時間的同時又控制最大溫升,1號電池模組中間位置自然散熱狀態(tài)下的最高溫度為69.87 ℃,加入液冷散熱方式后,中心位置最高溫度為63.25 ℃,溫度降低明顯,達(dá)到了試驗效果。

7 結(jié)束語

對高功率單體電池及電池模組進(jìn)行試驗與仿真,對高倍率狀態(tài)下電池電壓回升問題進(jìn)行分析,對電池表面溫度變化進(jìn)行分析,由產(chǎn)生的溫升問題提出液冷散熱方式。

通過對于單體電池進(jìn)行不同倍率下的放電,驗證了不同倍率下的電壓回升問題。通過試驗數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),伴隨著放電倍率的增大,電池的電壓回升數(shù)值呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。產(chǎn)生電壓回升的現(xiàn)象歸因于極化現(xiàn)象的發(fā)生,電池在不同倍率下所釋放的容量,以及不同荷電狀態(tài)下對應(yīng)的電壓值不同導(dǎo)致回升數(shù)值的差別。

通過仿真及試驗分析,無論是單體電池還是電池模組,在高倍率狀態(tài)下都會產(chǎn)生極大的溫升,并且溫度變化出現(xiàn)拐點。

對高倍率放電狀態(tài)下的鈦酸鋰電池提出液冷散熱方式,通過試驗與仿真相結(jié)合的方式,證明了液冷散熱方式在該高功率電池的應(yīng)用可以達(dá)到良好的效果,對于電池模組的高效降溫產(chǎn)生促進(jìn)作用,不但在時間上有一定優(yōu)勢,而且還控制了電池模組的最高溫度。