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            新能源電池熱管理系統設計思路分享

            新能源電池 新能源電池熱管理系統

            環境污染問題的日漸突出,使得清潔能源成為大勢所趨。汽車、輪船、飛機等運輸工具的能源消耗占據大量比例。這類移動產品的正常使用,均離不開儲能電池。當前,新能源汽車的需求迅速增長。而作為能量存儲單元,電池的性能和使用壽命直接決定了電動車的性能和成本,如何提高電池的性能和壽命成為電動汽車的研究重點。目前,電動車輛上使用的動力電池多為鋰離子電池,且是由多個單體電池通過串并聯方式組成電池組,通常,又稱為電池包。鋰離子電池在進行充放電時,內部將產生大量的熱量。如果散熱不及時,會導致電池局部溫度快速上升,電池使用壽命大大縮短,嚴重時甚至會造成電池熱失控,汽車發生爆燃。溫度上升,電池內阻減小,電池效率提高。但溫度的升高,又會加速電池內部有害化學反應速率,進而破壞電池。一般來說,溫度上升10℃,化學反應速率增加一倍。下圖是實驗獲得的幾種典型電池在不同溫度、不同循環次數下的電池容量變化。Ni-MH 電池在45℃條件下工作時,其循環壽命縮短60%;高倍率充電時,溫度每上升 5℃,其電池壽命衰減一半。Ni-MH電池的最佳工作溫度范圍為20~40℃;對于鉛酸電池,是25~45℃。Ramadass等人對索尼18650(容量1.8 Ah) Li-ion電池的循環性能進行了研究,電池在25℃和45℃時工作800個循環之后,電池容量分別下降31%和36%;當工作溫度為50℃時,600個循環后電池容量下降60%;工作溫度為55℃時,500個循環之后,容量下降70%。當動力電池溫度過低時,電池的容量和壽命同樣會極大衰減。可能的原因包括電解液受凍凝固等。對于部分地區,冬季氣溫常低于-20℃,電池基本不能放電或放電深度較淺。

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            圖1 典型電池不同溫度、不同循環次數下容量衰減程度實驗結果

            1 電池熱管理系統的目標

            為保證電動車的動力性能及安全性,電池系統的熱管理有以下幾個目標:

            1. 保證單體電池處于適宜的工作溫度范圍,能夠在高溫環境中將熱量及時轉移、低溫環境中迅速加熱或者保溫;

            2. 減小單體電池內部不同部位之間的溫度差異,保證單體電池的溫度分布均勻;

            3. 保持電池組內部的溫度均衡,以避免電池間的不平衡而降低性能;

            4. 消除因熱失控引發電池失效甚至爆炸等危險;

            5. 滿足電動汽車輕型、緊湊的要求,成本低廉、安裝與維護簡便;

            6. 有效通風,保證電池所產生的潛在有害氣體能及時排出,保證使用電池安全性;

            7. 溫度等相關參數實現精確靈敏的監控管理,制定合理的異常情況應對策略。


            2 電池組的熱管理設計方法

            與典型的電子設備相同,電池的熱管理需要先明確設計輸入條件,包括電池自身的發熱速率,等效的導熱系數、密度和熱容。其次,確定電池組熱管理的目標,即期望電池組在最惡劣情況下的工作溫度以及內部溫度不均勻性的要求。最后但非常重要的是,關注熱管理系統的成本和可靠性、可維護性。合理的電池熱管理系統,要綜合考量環境溫度要求、成本和電池溫度控制目標三個約束條件。電池熱管理系統的設計,實際所用到的熱設計知識,與常規電子產品如服務器、電源等產品類似,均需要從熱傳導、對流換熱、輻射換熱三個角度考量合理的熱管理方式。但如何確定電池的熱特性參數,是電池熱管理設計與普通電力電子、通訊設備熱管理設計的一個重要區別。
             

            2.1 電池熱管理設計的熱學信息確定

            2.1.1 電池發熱速率

                   鋰離子電池在充放電循環過程中伴隨有各種熱量的吸收或產生,并導致其內部溫度發生變化。充電時一部分電能轉化為化學能儲存在電池中,一部分被可逆吸熱存儲在電池中,還有一部分因轉化為不可逆熱而損耗。放電過程則放出電能,可逆熱和不可逆熱。這些熱量包括由化學反應熵變產生的可逆熱Qr,電極因極化產生的極化熱Qp,因電阻產生的焦耳熱Qj,電池本身因溫度升高而吸收的熱量Qab,電池內部因發生副反應所產生的熱量Qs等。電化學反應的熱效應是可逆的,而電流通過極化內阻和歐姆內阻時的熱效應是不可逆的。對于可逆電化學反應來說,化學反應吉布斯自由能的變化等于等溫等壓下的最大電功(對于熱學或化學專業的讀者,吉布斯自由能應該并不陌生)。不可逆產熱速率與工作電流成正比例關系,不可逆熱為放熱。可逆產熱速率與溫度系數有關,它可能是吸熱,也可能是放熱。溫度系數是正是負判斷可逆熱將是吸熱還是放熱。因此吸熱過程或者放熱過程在電池整個充放電循環過程中都可能存在。電池在大電流密度下工作時,其不可逆熱占據主導地位。當工作電流為中小電流時,必須考慮可逆熱,因為它反映了在電化學反應過程中電極材料的熵變信息。
            上述各吸熱和放熱部分,可以使用如下公式示意性描述:

            電池總的產熱量:Q = Qr + Qp + Qs + Qj + Qab
            不可逆熱:Qir = Qp + Qs
             

            有的研究將不可逆熱綜合成一項進行確定,即將電池的極化熱與焦耳熱之和等效為由于電池的全內阻帶來的熱量。而電池的全內阻則可以通過儀器測定。某些情況下,為細化內部熱量分布,還可以使用儀器測量電池的歐姆電阻,歐姆電阻即為焦耳熱Qj的產生來源。


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            圖2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池全內阻和歐姆內阻隨溫度、SOC的變化曲線測試值

             
            電池的發熱速率不是一個固定值。動力電池充放電過程中,電池內部化學反應復雜。熱量的產生與電池的類型、充放電速率和工作溫度都直接相關,產熱機理影響因素的復雜性使得很難直接使用數值方法對電池的發熱速率進行模擬計算。下圖是50℃工作環境溫度下某LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線,可見其綜合熱流密度隨時間變化的復雜程度。表格中對比的該電池在不同放電倍率、不同工作溫度下的發熱量,亦表現出極大不同。


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            圖3 50℃工作環境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在1C充放電時電壓和熱流隨時間的變化曲線

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            表1 不同工作環境溫度下CR2025型LiFePO4鋰離子電池在不同放電倍率下產熱量對比(負號表示放出熱量)
             

                   上述圖表僅表述的是LiFePO4鋰離子電池的相關實測數據,當電池類型變更,電池的放熱特點又有不同。目前,通常采用的研究方法是實驗與數值模擬相結合:首先使用試驗方法測量典型電池在某些典型溫度、不同充放電速率下的產熱速率,獲得的測試數據通過擬合物理控制方程得出等效的反應熱參數,將這些反應熱參數加載到數值模擬的模型中,模擬電池在溫度連續變化時的電池發熱速率。在電池組熱管理方案設計過程中,也可以使用數值模擬來預先查看設計效果。務必需要注意的是,當細致地研究單體電池在充放電過程中電池隨溫度的實時變化時,簡單地將電池的發熱速率設定為一個固定值,可能造成模擬結果或理論計算結果有很大誤差。在熱管理系統設計中,為考慮計算效率,則可以根據測試所得的總產熱量除以時間得到一個平均生熱功率。

            2.1.2 電池導熱系數、密度和比熱容

            在系統方案設計時,必須考慮電池的導熱系數、密度以及比熱容。其中:

            • 密度:可以通過測試電池體積和質量,根據密度的定義直接獲得;

            • 比熱容:可以通過測試將電池溫度升高特定的溫度值,測量所需的熱量獲取;

            • 導熱系數:導熱系數是矢量,由于電池由多種材質組合而成,在不同方向上,材質并不相同。導熱系數的確定,需要獲得電池內部的詳細成分構成及對應的幾何尺寸參數,通過當量導熱系數的計算公式分別獲取。

            下表為中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池的當量熱物理參數和內部相應的內部組成材料屬性。

            表2 中航鋰電70A.h磷酸鐵鋰動力電池熱物理參數

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               當發熱速率、導熱系數、密度、比熱容被確定下來,電池熱管理系統所使用的熱設計知識與傳統的電子產品就非常類似了。電池在系統中無論是通過仿真還是理論計算時,都可以直接被等效成一個發熱塊體,從而計算其所需要的冷卻設備。

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