锂离子动力电池充放电热特性及散热方案研究

锂离子动力电池充放电热特性及散热方案研究

与其他电池相比，阴离子电池在能量密度、功率密度和使用寿命方面具有优势，是目前电池行业的主要趋势。电池性能、寿命和安全性均与电池温度密切相关目前，针对电池的热性能与热管理的研究大多集中在圆柱和方形硬壳电池，对三元软包装电池，特别是电池模块和电池包研究较少。本文作者从三元软包装电池单体产热、电池模块散热及电池包热管理等3个方面，进行实验研究工作。1实验1.1单带电池的充电热性能1.1.1电池单体生热特性测试锂离子电池的热特性受温度、充放电倍率等因素影响较大，以24Ah三元软包装锂离子电池(洛阳产)为研究对象，在EM-10KA高精度恒温箱(广州产)中和自然散热条件下，用PEBC05-60电池单体测试系统(南京产)实验研究不同温度如不同充放电倍率时的生热特性。实验过程中，电池单体表面温度传感器T型热电偶(上海产)的分布如图1所示。1.1.2恒流充电系统设置不同倍率恒流充电:恒温箱设置为25℃，电池置于其中完成环境适应后，以0.3C恒流放电至2.80V;然后在25℃的环境温度下完成环境适应，再以不同倍率(0.3C、0.5C、1.0C和2.0C)恒流充电至截止电压4.30V。不同温度恒流充电:恒温箱设置为:0℃、25℃、35℃和50℃，将电池置于其中完成环境适应后，以0.3C恒流放电至2.80V;然后在设置的环境温度下完成环境适应，再以1.0C恒流充电至截止电压4.30V。不同倍率恒流放电:恒温箱设置为25℃，将电池置于其中完成环境适应后，以0.3C恒流充电至4.30V;充电完成后再次完成环境适应，再以0.3C、0.5C、1.0C、2.0C、3.0C和4.0C进行恒流放电至2.80V。不同温度恒流放电:恒温箱设置为:-20℃、0℃、10℃、25℃，将电池置于其中完成环境适应后，以0.3C恒流充电至4.30V;充电完成后在设置的环境温度下完成环境适应，再以0.5C恒流放电至2.80V。1.2电池模块的热方案1.2.1电池单体方案电池模块是电动车辆电池包的重要组成单元，由电池单体通过一定的串并联方式连接而成。电池模块的散热结构设计对电池包的热管理性能具有重要作用。在大倍率充放电的过程中，电池产热功率较大，如果得不到有效疏散，会导致电池温度持续升高，造成使用性能下降和寿命损耗，严重时会发生热失控。以24Ah三元软包装锂离子电池为研究对象，电池单体以3并8串连接方式组成电池模块，设计两种不同的散热方案，t方案一、二如图2所示，在两只单体电池大面之间设置散热板，电池产生的热量通过散热板传导至冷却系统。由于软包装电池单体四周存在封印边，电池底部无法与散热板形成良好接触，产生的热量先横向传导至散热板，再由散热板纵向传导至导热垫，然后传导至液冷板，最终被循环液通过对流换热带走。方案二在单体电池之间不设置散热板，在电池底部和液冷板之间填充导热硅脂。产生的热量直接纵向传导至导热硅脂，再传导至液冷板，最后被循环液通过对流换热带走。对上述两种散热方案进行测试对比，测试平台系统包含LR8431-30数据采集系统(广州产，温度精度±0.5℃，电压精度±1mV)、FTV4-300/50-60电池模块测试系统(武汉产)、电池模块和LQ2000冷却水循环机(北京产，温度:0～60℃，流量:0.5～5.0L/min)。1.2.2电池模块测试在相同工况下，对两个电池模块先后进行单独实验测试，单独实验的步骤如下:(1)室温下，将电池模块的荷电状态(SOC)调节至0;(2)将恒温箱调整为40℃，电池模块静置不少于16h，完成环境适应;(3)以1.0C恒流充电至4.05V，转0.5C恒流充电至4.10V，转0.1C恒流充电至4.15V，停止充电，静置30min;(4)电池模块以1.0C恒流放电至2.80V，静置30min;(5)重复步骤(3)和(4)，共进行3次循环;(6)充放电过程中，开启液冷，入口温度为15℃、流量为2L/min，循环结束后，停止液冷;(7)电池模块在40℃恒温箱内静置不少于16h，再次完成环境适应;(8)开启液冷，记录电池模块在纯冷却时的温度变化，40min后停止实验。1.3包热管理性能1.3.1电池包和管理系统目前，基于液体电池包热管理系统在国内外车企得到广泛应用。以3并92串电池包(包括3个3并16串模块、2个3并18串模块和1个3并8串模块)为研究对象，根据液冷系统设计开发流程如图3所示，设计一款软包装锂离子电池包热管理系统，主要包括液冷板、管路系统、导热硅脂和隔热垫。如图3所示，液冷板和管路系统构成液体循环回路，导热硅脂主要填充液冷板和模块接触缝隙，隔热垫起到隔绝液冷板和电池箱体之间的热量传递，减小热量散失的作用。实验测试系统主要包括LR8431-30数据采集系统、SDJ514A步入式高低温箱(重庆产)、BTS2000-800V/4×125A/4×100kW大功率充放电机(襄阳产)和LK3500冷却水循环机(北京产，温度范围5～60℃，流量范围2～25L/min)。1.3.2电池包的充电机冷却低温加热:将电池包静置于-20℃恒温箱中，完成环境适应后，开启液体热管理系统，流量调整为12L/min，入口温度40℃，当电池最低单体温度达到0℃时，停止加热。高温快充冷却:常温下调整电池包SOC为10%，然后静置于40℃恒温箱中，完成环境适应后，通过充电机对电池包进行1.5C快速充电。同时开启液体热管理系统，流量调整为12L/min，入口温度15℃，当SOC达到80%后，调整充电电流为0.3C，充电至4.30V。2结果与讨论2.1单带电池的充电流特征分析2.1.1高温环境下1.0c充电过程温升变化常温(25℃)下，不同充电倍率电池表面平均温度变化见图4。从图4可知，常温(25℃)下，电池在0.3C、0.5C、1.0C和2.0C倍率下充电的最大温升分别是0.45℃、0.59℃、1.56℃和8.07℃，充电倍率越高，温升越大。0.3C小电流充电过程中，温度变化会出现负值，产生这一现象的原因为:电池充电过程是一个吸热反应，当电池充电电阻产热小于化学反应所需热量时，电池温度降低。不同环境温度下，1.0C充电电池表面平均温度变化见图5。从图5可知，电池在0℃、25℃、35℃和50℃环境温度下，进行1.0C充电时的最大温升分别是4.09℃、1.56℃、1.48℃和1.33℃，即电池表面的平均温升随着环境温度的提高而降低。产生这一现象的原因是:随着温度的提高，电池内部锂离子迁移速度增大，电池直流内阻降低，发热功率变小。2.1.2放电倍率对电池温升的影响常温(25℃)下，不同放电倍率电池表面平均温度变化见图6。从图6可知，在常温(25℃)下，电池以0.3C、0.5C、1.0C、2.0C、3.0C和4.0C放电过程中的温升分别是0.76℃、1.19℃、2.35℃、10.27℃、16.76℃和18.63℃，即随着放电倍率的增加，电池发热功率变大，温升显著增加。放电过程中，电池温度的变化主要受到自然散热和自身产热等两个方面的影响，放电初始阶段，电池与环境温度相近，散热慢，热量积累较快，温升较快;放电进行一段时间后，散热功率与产热功率接近，电池温升变缓;放电进行到最后阶段时，受极化的影响，电池内阻变大，产热速率变大，温升再次变快。不同环境温度下0.5C放电电池表面平均温度变化见图7。从图7可知，在-20℃、0℃、10℃和25℃环境温度下，电池以0.5C放电时，最大温升分别是3.61℃、2.46℃、1.93℃和1.19℃，即环境温度越低，电池温升越大，主要是因为环境温度越低，锂离子在电解液中转移速度越低，电池内阻越大，发热功率越大2.2电池模块的温升分析方案一、二电池模块充放电及纯冷却过程中的温度变化见图8。从图8可知，采用散热方案一的电池模块，3次充放电过程中的最高温度分别是42.90℃、41.40℃、41.10℃，平均温度为41.80℃;3次充电的最大温升平均值为3.8℃，3次放电的最大温升平均值为6.60℃，平均温升为5.20℃;在纯冷却(不充放电)过程中，t采用散热方案二的电池模块，3次充放电过程中的最高温度分别是41.50℃、38.70℃、38.80℃，平均温度为39.70℃;3次充电的最大温升平均值为2.90℃，3次放电的最大温升平均值为5.50℃，平均温升为4.20℃;在纯冷却(不充放电)过程中，t根据上述分析可知，相比于散热方案一，散热方案二无散热板，质量轻、散热面积小，但冷却与均温性能更好，充放电温升和纯冷却温差分别降低2.10℃和0.50℃。产生这一现象的主要原因是:三元软包装锂离子电池通常采用叠片工艺制作而成，正负极材料及隔膜的导热系数小，约为0.2～0.4W/m·K，导致垂直电池大面方向的电池导热系数小，热阻大、散热慢。2.3电池温度变化-20℃低温加热过程电池温度变化见图9。从图9可知，在-20℃低温加热过程中，加热初期2min左右，电池温度保持不变，主要是因为液冷板位于电池底部，温度传感器位于电池顶部，热量的传递需要一定的时间。随着加热的进行，系统温差逐步增大，1500s后基本保持不变，整个加热过程中，系统最大温差为7.9℃，平均温升速率为0.52℃/min。40℃高温快充冷却过程电池温度变化见图10。从图10可知，在40℃环境温度下1.5C快充过程中电池温度逐渐升高，快充结束时达到最高为47.90℃，在0.3C充电阶段，电池温度又逐渐降低，整个充电过程最大温差为3.90℃。3电池及电池模块冷却性能对比实验研究发现，对于三元软包装锂离子动力电池，充放电热特性受环境温度和充放电倍率影响较大，当环境温度降低或充放电倍率增大时，电池的产热功率增加，导致温升增大。在高温环境下进行大倍率充放电时，采取一定的散热措施，合理控制电池温度范围。通过对两种电池模块散热方案进行实验，散热方案二的电池散热