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动力电池热管理系统设计思路

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        环境污染问题的日渐突出,使得清洁能源成为大势所趋。汽车、轮船、飞机等运输工具的能源消耗占据大量比例。这类移动产品的正常使用,均离不开储能电池。当前,新能源汽车的需求迅速增长。而作为能量存储单元,电池的性能和使用寿命直接决定了电动车的性能和成本,如何提高电池的性能和寿命成为电动汽车的研究重点。目前,电动车辆上使用的动力电池多为锂离子电池,且是由多个单体电池通过串并联方式组成电池组,通常,又称为电池包。锂离子电池在进行充放电时,内部将产生大量的热量。如果散热不及时,会导致电池局部温度快速上升,电池使用寿命大大缩短,严重时甚至会造成电池热失控,汽车发生爆燃。温度上升,电池内阻减小,电池效率提高。但温度的升高,又会加速电池内部有害化学反应速率,进而破坏电池。一般来说,温度上升10℃,化学反应速率增加一倍。下图是实验获得的几种典型电池在不同温度、不同循环次数下的电池容量变化。Ni-MH 电池在45℃条件下工作时,其循环寿命缩短60%;高倍率充电时,温度每上升 5℃,其电池寿命衰减一半。Ni-MH电池的最佳工作温度范围为20~40℃;对于铅酸电池,是25~45℃。Ramadass等人对索尼18650(容量1.8 Ah) Li-ion电池的循环性能进行了研究,电池在25℃和45℃时工作800个循环之后,电池容量分别下降31%和36%;当工作温度为50℃时,600个循环后电池容量下降60%;工作温度为55℃时,500个循环之后,容量下降70%。当动力电池温度过低时,电池的容量和寿命同样会极大衰减。可能的原因包括电解液受冻凝固等。对于部分地区,冬季气温常低于-20℃,电池基本不能放电或放电深度较浅。

图1 典型电池不同温度、不同循环次数下容量衰减程度实验结果

1 电池热管理系统的目标

为保证电动车的动力性能及安全性,电池系统的热管理有以下几个目标:
  1. 保证单体电池处于适宜的工作温度范围,能够在高温环境中将热量及时转移、低温环境中迅速加热或者保温;
  2. 减小单体电池内部不同部位之间的温度差异,保证单体电池的温度分布均匀;
  3. 保持电池组内部的温度均衡,以避免电池间的不平衡而降低性能;
  4. 消除因热失控引发电池失效甚至爆炸等危险;
  5. 满足电动汽车轻型、紧凑的要求,成本低廉、安装与维护简便;
  6. 有效通风,保证电池所产生的潜在有害气体能及时排出,保证使用电池安全性;
  7. 温度等相关参数实现精确灵敏的监控管理,制定合理的异常情况应对策略。

2 电池组的热管理设计方法

与典型的电子设备相同,电池的热管理需要先明确设计输入条件,包括电池自身的发热速率,等效的导热系数、密度和热容。其次,确定电池组热管理的目标,即期望电池组在最恶劣情况下的工作温度以及内部温度不均匀性的要求。最后但非常重要的是,关注热管理系统的成本和可靠性、可维护性。合理的电池热管理系统,要综合考量环境温度要求、成本和电池温度控制目标三个约束条件。电池热管理系统的设计,实际所用到的热设计知识,与常规电子产品如服务器、电源等产品类似,均需要从热传导、对流换热、辐射换热三个角度考量合理的热管理方式。但如何确定电池的热特性参数,是电池热管理设计与普通电力电子、通讯设备热管理设计的一个重要区别。
 

2.1 电池热管理设计的热学信息确定

2.1.1 电池发热速率

       锂离子电池在充放电循环过程中伴随有各种热量的吸收或产生,并导致其内部温度发生变化。充电时一部分电能转化为化学能储存在电池中,一部分被可逆吸热存储在电池中,还有一部分因转化为不可逆热而损耗。放电过程则放出电能,可逆热和不可逆热。这些热量包括由化学反应熵变产生的可逆热Qr,电极因极化产生的极化热Qp,因电阻产生的焦耳热Qj,电池本身因温度升高而吸收的热量Qab,电池内部因发生副反应所产生的热量Qs等。电化学反应的热效应是可逆的,而电流通过极化内阻和欧姆内阻时的热效应是不可逆的。对于可逆电化学反应来说,化学反应吉布斯自由能的变化等于等温等压下的最大电功(对于热学或化学专业的读者,吉布斯自由能应该并不陌生)。不可逆产热速率与工作电流成正比例关系,不可逆热为放热。可逆产热速率与温度系数有关,它可能是吸热,也可能是放热。温度系数是正是负判断可逆热将是吸热还是放热。因此吸热过程或者放热过程在电池整个充放电循环过程中都可能存在。电池在大电流密度下工作时,其不可逆热占据主导地位。当工作电流为中小电流时,必须考虑可逆热,因为它反映了在电化学反应过程中电极材料的熵变信息。
上述各吸热和放热部分,可以使用如下公式示意性描述:

电池总的产热量:Q = Qr + Qp + Qs + Qj + Qab
不可逆热:Qir = Qp + Qs
 
有的研究将不可逆热综合成一项进行确定,即将电池的极化热与焦耳热之和等效为由于电池的全内阻带来的热量。而电池的全内阻则可以通过仪器测定。某些情况下,为细化内部热量分布,还可以使用仪器测量电池的欧姆电阻,欧姆电阻即为焦耳热Qj的产生来源。
图2 中航锂电70A.h磷酸铁锂动力电池全内阻和欧姆内阻随温度、SOC的变化曲线测试值
 
电池的发热速率不是一个固定值。动力电池充放电过程中,电池内部化学反应复杂。热量的产生与电池的类型、充放电速率和工作温度都直接相关,产热机理影响因素的复杂性使得很难直接使用数值方法对电池的发热速率进行模拟计算。下图是50℃工作环境温度下某LiFePO4锂离子电池在1C充放电时电压和热流随时间的变化曲线,可见其综合热流密度随时间变化的复杂程度。表格中对比的该电池在不同放电倍率、不同工作温度下的发热量,亦表现出极大不同。
图3 50℃工作环境温度下CR2025型LiFePO4锂离子电池在1C充放电时电压和热流随时间的变化曲线
 
表1 不同工作环境温度下CR2025型LiFePO4锂离子电池在不同放电倍率下产热量对比(负号表示放出热量)
 
       上述图表仅表述的是LiFePO4锂离子电池的相关实测数据,当电池类型变更,电池的放热特点又有不同。目前,通常采用的研究方法是实验与数值模拟相结合:首先使用试验方法测量典型电池在某些典型温度、不同充放电速率下的产热速率,获得的测试数据通过拟合物理控制方程得出等效的反应热参数,将这些反应热参数加载到数值模拟的模型中,模拟电池在温度连续变化时的电池发热速率。在电池组热管理方案设计过程中,也可以使用数值模拟来预先查看设计效果。务必需要注意的是,当细致地研究单体电池在充放电过程中电池随温度的实时变化时,简单地将电池的发热速率设定为一个固定值,可能造成模拟结果或理论计算结果有很大误差。在热管理系统设计中,为考虑计算效率,则可以根据测试所得的总产热量除以时间得到一个平均生热功率。

2.1.2 电池导热系数、密度和比热容

在系统方案设计时,必须考虑电池的导热系数、密度以及比热容。其中:
  • 密度:可以通过测试电池体积和质量,根据密度的定义直接获得;
  • 比热容:可以通过测试将电池温度升高特定的温度值,测量所需的热量获取;
  • 导热系数:导热系数是矢量,由于电池由多种材质组合而成,在不同方向上,材质并不相同。导热系数的确定,需要获得电池内部的详细成分构成及对应的几何尺寸参数,通过当量导热系数的计算公式分别获取。
下表为中航锂电70A.h磷酸铁锂动力电池的当量热物理参数和内部相应的内部组成材料属性。
表2 中航锂电70A.h磷酸铁锂动力电池热物理参数
 
       当发热速率、导热系数、密度、比热容被确定下来,电池热管理系统所使用的热设计知识与传统的电子产品就非常类似了。电池在系统中无论是通过仿真还是理论计算时,都可以直接被等效成一个发热块体,从而计算其所需要的冷却设备。

本文参考文献:
[1]宋刘斌. 锂离子电池(LPF)的热电化学研究及其电极材料的计算与模拟.中南大学博士学位论文.2013;
[2]饶中浩, 张国庆. 电池热管理[M]. 北京: 科学出版社,2015;
[3]梁金华. 纯电动车用磷酸铁锂电池组散热研究. 清华大学硕士学位论文. 2011.

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