锂离子电池散热特性分析

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在锂离子电池运行期间,由于欧姆阻抗和极化等因素,可能会发生连续发热,并且由于垂直极片方向上的接触热阻和高热阻隔膜等因素,导致散热。差,在电池内部产生大的温度梯度,并且温度梯度的存在导致电池内部的电流分布不均匀,从而进一步导致电池内的衰减速率不一致。

因此,如何做好散热是提高锂离子电池性能的关键之一。最近,英国帝国理工学院的Alastair Hales(第一作者)和Gregory Offer(通讯作者)研究了锂离子电池的散热特性,并提出了特定电池的散热系数(CCC)的概念。散热措施,电池的散热系数(CCC)是恒定的,因此可以根据系数比较不同电池的散热效果。

锂离子电池的热量可分为两类:1)可逆熵加热; 2)不可逆热,如欧姆电阻热,电荷交换阻抗热等,所以锂离子电池在生产过程中的热功率可用下式表示,其中第一项是不可逆热和第二个术语是可逆熵加热。

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除了发热之外,锂离子电池对于散热也很重要。锂离子电池的散热特性受电池形状,电池材料和散热方式的影响。在这项研究中,作者提出了散热系数的标准概念。散热方法统一为更有效的极冷却方法,从而避免了电池形状对散热系数的影响。在实验中,作者使用两种尺寸的软包锂离子电池作为研究对象,电池参数如下表所示。电池A是高功率型5Ah电池,电池B是高特异性型7.5Ah电池,电池A的正极是NCM111材料,电池B的正极是Li(Ni0.4 Co0) .6)O2材料,表2是电池内部电池的基本参数和热特性。

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用于测试实验中A和B两个电池的加热特性的装置如下图所示。用于电连接的母线还起到耳中散热的作用。在实验中,作者使用了15个K型热电偶。为了测量电池和柱箱温度的变化,这些热电偶的具体分布如下图所示。

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通过正母线和负母线的总线散热率可用下式表示,其中ABB位母线的横截面积和ΔTBBneg母线上两个温度测量点之间的温差,对于负极点9和10点之间的温差,正极点是温度点11和12之间的温差

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为了测量不同SoC状态下锂离子电池的加热特性,作者采用了脉冲放电策略,即以20s脉冲1s充电,然后20A脉冲1s充电6小时,以确保电池充电整个过程。它们都保持相同的SoC,并且这个过程的热量主要来自不可逆的热量。

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下图显示了使用该模型模拟在脉冲充电和放电期间下图a所示结构中锂离子电池的温度变化的作者。从下图b可以看出,在20A脉冲和50%SoC的条件下,使用耳朵。散热过程中电池内部的温差小于1°C,如果电池一侧的加热条件为1.49 W,电池内部的最大温差将增加到3°C(如图所示)如下图c),如果电池中的两个同时在侧面施加1.49W的加热,我们可以从下图d看出电池内部的温差变得非常小。从模拟结果来看,脉冲充放电可以在锂离子电池内部产生相对均匀的温度。领域。

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在实验中,作者共测试了3节电池A和1节电池B.实验布置如下表所示。

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下图显示了脉冲充放电过程中上表所示实验1中电池的热功率曲线。热功率曲线可分为两类:1)发热功率; 2)散热功率,如下图所示。在不稳定状态开始时,电池温度会缓慢上升。随着电池耳部温度与母线散热之间的温差增加,当产生热量并散发热量时,电池通过母线的散热功率也在增加。当功率相等时,电池达到稳定状态。

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下图显示了电池正极和负极的散热功率的比较。从图中可以看出,由于负电极是铜,因此沿负电极的热量散热比正电极的散热快。从下图b的正极可以看出,负极片的散热功率比是正极片的散热功率在不同工况下仅为负极的70%左右。

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由于本实验中锂离子电池的热量主要通过正极片和负极片扩散,因此作者还计算了负极散热系数CCCneg,正极散热系数CCCpos和计算时的电池。锂离子电池的散热系数。总散热系数CCCtot(如下所示)。下图显示了使用实验1中的稳态数据计算的三个散热系数。从下图中可以看出,负极的散热系数明显高于正极的散热系数。

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下图显示了在不同SoC和不同电流下由电池A1计算的正极,负极和电池的散热系数。从下图中可以看出,电池的SoC状态和工作电流对电池的散热系数没有影响,这表明电池处于工作状态,只要热平衡可以实现后,我们可以计算出电池的散热系数。

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下图显示了不同实验中三个电池的正极,负极和电池的散热系数。从图中可以看出,对于同类电池,散热系数是恒定的,不受工作条件和电池SoC等因素的影响。

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下表显示了两个电池A和B的散热系数。可以看出,两个电池的负极的散热系数明显高于正极的散热系数,并且电池A具有功率类型设计,所以散热系数也明显高于电池B,其中A电池的负极散热系数比B电池高65.13%,正散热系数为63.18%,整体电池的散热系数高出62.70%。

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作者最后引用了散热系数应用的一个例子。作者假设使用AA或B的电池组来形成15Ah的电池组。电池组需要满足4C连续放电,但根据计算A,电池使用所需的最高温度不高于40°C。电池运行期间的加热功率为4.97W,加热功率为B电池是8.28W。因此,当达到热平衡时,电池耳与散热之间的温差可以根据下面的公式19计算。从计算结果来看,对于B电池而言,在温度方面,温差需要达到40.59 °C,所以为了满足电池的最高温度不超过40°C,这意味着散热器端的温度需要低于-0.59°C,这种强大的冷却环境通常意味着高冷却成本,所以在实践中不可行。但让我们来看看电池A.由于加热功率低,当达到热平衡时,电池耳和散热器之间的温差仅为14.97°C。这是因为即使散热器的温度约为25℃,也能满足电池的温度。低于40°C的要求,因此不难看出在这种应用条件下,只有电池A就足够了。

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锂离子电池的热设计长期以来一直是一项复杂的任务,需要大量的实验数据和复杂的模拟,Alastair Hales通过提出热扩散系数大大简化了电池的热设计。它可以很容易地比较不同电池之间的散热能力,对锂离子电池的热设计具有重要的参考价值。

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电池冷却系数:定义锂离子电池的热量排斥标准,电化学学会杂志,166(12)A2383-A2395(2019),Alastair Hales,Laura Bravo Diaz,Mohamed Waseem Marzook,Yan Zhao,Yatish Patel和格雷戈里提供

文/眺眺