鋰電池?zé)崽匦约吧崽匦苑治?/h1>
2015-07-25 09:41:16張高勝丁曉紅
通信電源技術(shù) 2015年5期
張高勝，丁曉紅，周 吉
（上海理工大學(xué)，上海 200093）
為了最高效率的利用電能，儲能技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通常，為了減少儲存系統(tǒng)的質(zhì)量及體積，鋰電池能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鎳及鉛酸電池。與其它可充放電儲能系統(tǒng)相比，鋰電池在安全性、能量及能量密度、效率、壽命周期及靈活設(shè)計等方面都表現(xiàn)出優(yōu)勢。此外，因為鋰電池在一個相對好的壽命期限內(nèi)其能量及功率密度高，所以鋰電池技術(shù)是儲能技術(shù)應(yīng)用最有希望的選擇之一。
但是，鋰電池模塊在放電時產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時散發(fā)出去，就會使得鋰電池性能惡化，電池的壽命降低，同時，對于單體鋰電池，容易造成鋰電池脹包，甚至爆炸。對于儲能技術(shù)，整體模塊包括很多電芯，是由單體鋰電池串并聯(lián)組合而成，本文主要討論單體鋰電池的產(chǎn)熱性能，并假設(shè)在放電過程中，模塊的整體產(chǎn)熱是由單體電池產(chǎn)熱量累加而成。
因此模擬及早期的測試是有必要的，可以節(jié)省時間和避免許多的原型迭代。在鋰電池中，通過電化學(xué)方程計算在不同電流情況下的電壓曲線及熱產(chǎn)生率，利用模擬軟件來分析熱流體動力學(xué)的冷卻影響。
1 鋰電池?zé)崽匦?/h2>
鋰電池內(nèi)的電化學(xué)熱產(chǎn)生是個復(fù)雜過程。電流率、工作溫度、電池化學(xué)反應(yīng)等都會影響到熱產(chǎn)生率。許多學(xué)者已經(jīng)從單體到模塊研究了熱產(chǎn)生問題。然而，研究電化學(xué)模塊中深層的電化學(xué)反應(yīng)仍然是有必要的。與鋰電池電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的產(chǎn)熱量主要有三方面因素：歐姆損失（因為離子運(yùn)動）；激活動力學(xué)；物質(zhì)運(yùn)輸濃度。產(chǎn)生的所有熱造成電壓降低，溫度升高。
1.1 熱模型分析方法
熱模型從電化學(xué)反應(yīng)生熱的角度描述電池生熱，該模型一般假設(shè)電池內(nèi)電流密度的分布是均勻的。電池在工作過程中的生熱速率有很多計算方法，最廣泛使用的是美國加州大學(xué)伯克利分校的D.Bernardi在1985年提出的生熱速率模型，如式（1）所示［1］：
1.2 電特性分析
按照如圖1設(shè)計流程進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗測試，即可獲得：電流I，開路電壓U及端電壓E0。這些參數(shù)對于決定熱產(chǎn)生率及解決熱模型方程是有用的。
圖1即為實(shí)驗設(shè)計流程圖［2］及單體鋰電池?zé)岱治觥ｋ姵貑卧欠旁诤銣叵鋬?nèi)，與外面的循環(huán)設(shè)備相連接。在測試過程中，循環(huán)設(shè)備在放電過程中保持特定的電流率，主機(jī)連接循環(huán)設(shè)備，實(shí)時地獲得并記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)。同時也可以監(jiān)測電流率，電壓曲線、SOC及內(nèi)部電阻等。
圖1 實(shí)驗設(shè)計流程圖
主要測試：恒定充放電電流率下的端電壓及開路電壓。有多種不同的方法可求得此參數(shù)，通用的方法是混合功率脈沖法（HPPC），其他的方法有電流階躍響應(yīng)的方法，電流中斷方法。
2 實(shí)驗測試
因為儲能系統(tǒng)是模塊組裝而成的，本文為了分析電池模塊的熱流體，建立了一個熱模型。為了估算單體電池在不同SOC下的熱產(chǎn)生率，同時為了證實(shí)以上所提供的方法表現(xiàn)出的優(yōu)勢，進(jìn)行了單體電池及電池模塊的測試實(shí)驗，獲得充放電過程中端電壓、開路電壓，單體鋰電池表面溫度的實(shí)時變化。這些電池及電池模塊用低電流操作來表現(xiàn)其特性，故用1C放電。
本文主要分析電池在放電過程中的電池表面溫度變化及電池的最高溫度。
測試平臺包括：充放電機(jī)器（MODEI17020 REGENERATIVE BATTERY PACK TEST SYSTEM系統(tǒng)），能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充放電操作；恒溫箱，保證恒定的溫度條件；熱像儀，能夠監(jiān)測電池?zé)釥顟B(tài)；主機(jī)，獲得可處理的數(shù)據(jù)。電池放在恒溫箱里，連接充放電儀器，充放電儀器實(shí)時把獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。此實(shí)驗可以實(shí)時監(jiān)測電流、電壓曲線、電池表面溫度。在恒流下充放電實(shí)驗及開路電壓的測試可獲得電池?zé)崽匦缘扔杏玫奈锢韰?shù)。
圖2 1 C放電情況下，20 Ah單體鋰電池端電壓及開路電壓曲線
3 熱模型分析及驗證
研究單體仿真模型是為了獲得溫度曲線，作為CFD模擬的輸入數(shù)據(jù)。仿真模型由CAD軟件設(shè)計，并將幾何模型輸入到有限元分析軟件中，因為幾何模型不復(fù)雜，CAD模型代表單體的實(shí)際尺寸模型。電池參數(shù)由電池制造商提供，同時在仿真中，將鋰電池參數(shù)輸入到有限元分析軟件中。
3.1 熱仿真
電池模型主要由三部分組成：電芯、外殼、電極極耳。電芯代表電池內(nèi)部，在充放電過程中產(chǎn)生熱量；外殼是用來保護(hù)內(nèi)部電池；電極提供接口與電路相連接［4］，如圖3。
圖3 鋰電池模型的三維造型圖
正負(fù)極耳材質(zhì)為：鋁；外殼材質(zhì)為：鋁塑膜（厚度為0.1 mm）；內(nèi)核為電芯，由正負(fù)極電解質(zhì)及膈膜組成，鋁塑膜與電芯緊密貼合。各部分材質(zhì)特性如表1。
以內(nèi)部熱產(chǎn)生率為負(fù)載，電池表面為自然對流，對單體電池進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真分析。實(shí)際上，溫度曲線是與時間緊密聯(lián)系的，同時，電芯加熱，并通過熱傳導(dǎo)，把熱量從內(nèi)部傳到鋁塑膜表面，進(jìn)行空氣對流冷卻。仿真模型輸入數(shù)據(jù)包括：電池最初溫度；產(chǎn)熱率；電池持續(xù)放電時間；自然對流物理參數(shù)。因為此模型主要是在恒定電流下做電池放電仿真，故在整個放電過程中，各個模塊產(chǎn)熱是相同的。
表1 各部分材質(zhì)特性
通過仿真，利用有限元分析軟件，來迅速獲得單體電池的溫度特性。輸入量是隨時間變化的熱產(chǎn)生率，通過以上所提的分析方法進(jìn)行估算熱產(chǎn)生率，電池的實(shí)際工作環(huán)境即為有限元軟件所加的邊界條件，熱負(fù)載加載在鋰電池內(nèi)部電芯上。將模型在Workbench中進(jìn)行實(shí)時瞬態(tài)仿真，獲得不同SOC的溫度值。
3.2 熱模型的驗證
利用模擬工具畫出鋰電池在不同SOC下的溫度曲線。將實(shí)驗溫度曲線和熱分析模型溫度曲線對比來證實(shí)熱模型的有效性。在實(shí)際情況下，熱分析模型模擬出來的溫度特性和實(shí)際溫度可能不一樣，此模擬的主要目的是提供一個通過溫度曲線證實(shí)熱模型準(zhǔn)確性的方法［5］，當(dāng)然此模型的參數(shù)是和實(shí)際鋰電池參數(shù)緊密相關(guān)的。一旦熱模型被證實(shí)，此模型就能夠代替實(shí)際模型進(jìn)行下一步的分析。實(shí)際上，通過分段差值法，將分析熱模型所得不同SOC情況下的產(chǎn)熱率插入到仿真過程中，使得熱仿真更準(zhǔn)確，更符合實(shí)際。
圖4 模擬溫度與實(shí)驗溫度對比
圖4為鋰電池在1C放電情況下，仿真分析得到的在不同SOC下的溫度值與實(shí)際實(shí)驗得到的溫度值進(jìn)行對比。
通過將模擬值與實(shí)驗值放在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)分析的誤差在5%以內(nèi)，模擬值與仿真值基本一致，故模型成立，為以后模塊的散熱熱分析奠定了基礎(chǔ)。
同時發(fā)現(xiàn)，模擬溫度在放電過程總是高于實(shí)驗溫度。這是因為：實(shí)驗溫度所測得是電芯表面的溫度，而模擬所得是電池內(nèi)核的溫度，內(nèi)核溫度始終高于表面溫度，但是外包裝鋁塑膜很薄，故內(nèi)外溫度相差很少。
4 單體鋰電池散熱分析
鋰電池在放電過程中，如果溫度增加到一定幅值，最高溫度超過鋰電池本身特性約束的溫度，就會使電池性能惡化，壽命降低。
本節(jié)主要討論如何將單體電池溫升降低。溫度降低主要通過兩個途徑：施加外力（增大空氣流速）；在材料表面放置導(dǎo)熱性好的材料，將熱量從電池單元表面?zhèn)鲗?dǎo)出去。
根據(jù)以上方案設(shè)置，針對鋰電池進(jìn)行了兩個方向的仿真模擬：（1）正?？諝鈱α飨禂?shù)為5，為降低溫度，增大空氣對流系數(shù)，模擬分析電池表面溫度。（2）在電池兩側(cè)加0.1 mm的鋁板（電池模塊中，電池間隙最大為0.1 mm），模擬分析電池表面溫度。
分析發(fā)現(xiàn)，在電池表面加鋁板，溫度降低不明顯；而加大對流系數(shù)，溫度明顯降低，故在以后進(jìn)行模塊散熱分析時，從增大空氣流通量方面考慮。
5 總 結(jié)
本文基于鋰電池模擬仿真，針對單體鋰電池提出一個可以幫助工程師進(jìn)行熱分析及冷卻設(shè)計的方法，集中探討鋰電池放電模擬仿真，同時簡略地介紹了單體電池散熱的研究方法，通過測試研究，提出了20 Ah單體鋰電池的熱分析模型。
該模型能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地模擬出鋰電池單體在放電過程中產(chǎn)熱隨時間變化，以及電池表面溫度的變化，這對于鋰電池模塊熱分析是很重要的。該模型使以后電池模塊的熱管理及散熱分析成為可能。
［1］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Modeling and thermal simulation of a PHEV battery module with cylindrical LFP cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（9）：17－20.
［2］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Analytical thermal model for characteri a Li－ion battery cell［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.
［3］ Ahmadou Samba，Noshin Omar，Hamid Gualous.Development of 2D Thermal Battery Model for Lithiumion Pouch Cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.
［4］ Cicconi Paolo，Michele，Landi Daniele.Cooling simulation of an EV battery pack to support a retrofit project from lead－acid to Li－ion cells［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2013.
［5］ Cicconi Paolo，Germani Michele，Landi Daniele.Virtual prototyping approach to evaluate the thermal management of Li－ion batteries［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2014.
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但是，鋰電池模塊在放電時產(chǎn)生大量的熱量，如果熱量不能及時散發(fā)出去，就會使得鋰電池性能惡化，電池的壽命降低，同時，對于單體鋰電池，容易造成鋰電池脹包，甚至爆炸。對于儲能技術(shù)，整體模塊包括很多電芯，是由單體鋰電池串并聯(lián)組合而成，本文主要討論單體鋰電池的產(chǎn)熱性能，并假設(shè)在放電過程中，模塊的整體產(chǎn)熱是由單體電池產(chǎn)熱量累加而成。
因此模擬及早期的測試是有必要的，可以節(jié)省時間和避免許多的原型迭代。在鋰電池中，通過電化學(xué)方程計算在不同電流情況下的電壓曲線及熱產(chǎn)生率，利用模擬軟件來分析熱流體動力學(xué)的冷卻影響。
1 鋰電池?zé)崽匦?/h2>
鋰電池內(nèi)的電化學(xué)熱產(chǎn)生是個復(fù)雜過程。電流率、工作溫度、電池化學(xué)反應(yīng)等都會影響到熱產(chǎn)生率。許多學(xué)者已經(jīng)從單體到模塊研究了熱產(chǎn)生問題。然而，研究電化學(xué)模塊中深層的電化學(xué)反應(yīng)仍然是有必要的。與鋰電池電化學(xué)反應(yīng)相關(guān)的產(chǎn)熱量主要有三方面因素：歐姆損失（因為離子運(yùn)動）；激活動力學(xué)；物質(zhì)運(yùn)輸濃度。產(chǎn)生的所有熱造成電壓降低，溫度升高。
1.1 熱模型分析方法
熱模型從電化學(xué)反應(yīng)生熱的角度描述電池生熱，該模型一般假設(shè)電池內(nèi)電流密度的分布是均勻的。電池在工作過程中的生熱速率有很多計算方法，最廣泛使用的是美國加州大學(xué)伯克利分校的D.Bernardi在1985年提出的生熱速率模型，如式（1）所示［1］：
1.2 電特性分析
按照如圖1設(shè)計流程進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗測試，即可獲得：電流I，開路電壓U及端電壓E0。這些參數(shù)對于決定熱產(chǎn)生率及解決熱模型方程是有用的。
圖1即為實(shí)驗設(shè)計流程圖［2］及單體鋰電池?zé)岱治觥ｋ姵貑卧欠旁诤銣叵鋬?nèi)，與外面的循環(huán)設(shè)備相連接。在測試過程中，循環(huán)設(shè)備在放電過程中保持特定的電流率，主機(jī)連接循環(huán)設(shè)備，實(shí)時地獲得并記錄實(shí)驗數(shù)據(jù)。同時也可以監(jiān)測電流率，電壓曲線、SOC及內(nèi)部電阻等。
圖1 實(shí)驗設(shè)計流程圖
主要測試：恒定充放電電流率下的端電壓及開路電壓。有多種不同的方法可求得此參數(shù)，通用的方法是混合功率脈沖法（HPPC），其他的方法有電流階躍響應(yīng)的方法，電流中斷方法。
2 實(shí)驗測試
因為儲能系統(tǒng)是模塊組裝而成的，本文為了分析電池模塊的熱流體，建立了一個熱模型。為了估算單體電池在不同SOC下的熱產(chǎn)生率，同時為了證實(shí)以上所提供的方法表現(xiàn)出的優(yōu)勢，進(jìn)行了單體電池及電池模塊的測試實(shí)驗，獲得充放電過程中端電壓、開路電壓，單體鋰電池表面溫度的實(shí)時變化。這些電池及電池模塊用低電流操作來表現(xiàn)其特性，故用1C放電。
本文主要分析電池在放電過程中的電池表面溫度變化及電池的最高溫度。
測試平臺包括：充放電機(jī)器（MODEI17020 REGENERATIVE BATTERY PACK TEST SYSTEM系統(tǒng)），能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充放電操作；恒溫箱，保證恒定的溫度條件；熱像儀，能夠監(jiān)測電池?zé)釥顟B(tài)；主機(jī)，獲得可處理的數(shù)據(jù)。電池放在恒溫箱里，連接充放電儀器，充放電儀器實(shí)時把獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。此實(shí)驗可以實(shí)時監(jiān)測電流、電壓曲線、電池表面溫度。在恒流下充放電實(shí)驗及開路電壓的測試可獲得電池?zé)崽匦缘扔杏玫奈锢韰?shù)。
圖2 1 C放電情況下，20 Ah單體鋰電池端電壓及開路電壓曲線
3 熱模型分析及驗證
研究單體仿真模型是為了獲得溫度曲線，作為CFD模擬的輸入數(shù)據(jù)。仿真模型由CAD軟件設(shè)計，并將幾何模型輸入到有限元分析軟件中，因為幾何模型不復(fù)雜，CAD模型代表單體的實(shí)際尺寸模型。電池參數(shù)由電池制造商提供，同時在仿真中，將鋰電池參數(shù)輸入到有限元分析軟件中。
3.1 熱仿真
電池模型主要由三部分組成：電芯、外殼、電極極耳。電芯代表電池內(nèi)部，在充放電過程中產(chǎn)生熱量；外殼是用來保護(hù)內(nèi)部電池；電極提供接口與電路相連接［4］，如圖3。
圖3 鋰電池模型的三維造型圖
正負(fù)極耳材質(zhì)為：鋁；外殼材質(zhì)為：鋁塑膜（厚度為0.1 mm）；內(nèi)核為電芯，由正負(fù)極電解質(zhì)及膈膜組成，鋁塑膜與電芯緊密貼合。各部分材質(zhì)特性如表1。
以內(nèi)部熱產(chǎn)生率為負(fù)載，電池表面為自然對流，對單體電池進(jìn)行瞬態(tài)熱仿真分析。實(shí)際上，溫度曲線是與時間緊密聯(lián)系的，同時，電芯加熱，并通過熱傳導(dǎo)，把熱量從內(nèi)部傳到鋁塑膜表面，進(jìn)行空氣對流冷卻。仿真模型輸入數(shù)據(jù)包括：電池最初溫度；產(chǎn)熱率；電池持續(xù)放電時間；自然對流物理參數(shù)。因為此模型主要是在恒定電流下做電池放電仿真，故在整個放電過程中，各個模塊產(chǎn)熱是相同的。
表1 各部分材質(zhì)特性
通過仿真，利用有限元分析軟件，來迅速獲得單體電池的溫度特性。輸入量是隨時間變化的熱產(chǎn)生率，通過以上所提的分析方法進(jìn)行估算熱產(chǎn)生率，電池的實(shí)際工作環(huán)境即為有限元軟件所加的邊界條件，熱負(fù)載加載在鋰電池內(nèi)部電芯上。將模型在Workbench中進(jìn)行實(shí)時瞬態(tài)仿真，獲得不同SOC的溫度值。
3.2 熱模型的驗證
利用模擬工具畫出鋰電池在不同SOC下的溫度曲線。將實(shí)驗溫度曲線和熱分析模型溫度曲線對比來證實(shí)熱模型的有效性。在實(shí)際情況下，熱分析模型模擬出來的溫度特性和實(shí)際溫度可能不一樣，此模擬的主要目的是提供一個通過溫度曲線證實(shí)熱模型準(zhǔn)確性的方法［5］，當(dāng)然此模型的參數(shù)是和實(shí)際鋰電池參數(shù)緊密相關(guān)的。一旦熱模型被證實(shí)，此模型就能夠代替實(shí)際模型進(jìn)行下一步的分析。實(shí)際上，通過分段差值法，將分析熱模型所得不同SOC情況下的產(chǎn)熱率插入到仿真過程中，使得熱仿真更準(zhǔn)確，更符合實(shí)際。
圖4 模擬溫度與實(shí)驗溫度對比
圖4為鋰電池在1C放電情況下，仿真分析得到的在不同SOC下的溫度值與實(shí)際實(shí)驗得到的溫度值進(jìn)行對比。
通過將模擬值與實(shí)驗值放在同一坐標(biāo)系下進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)分析的誤差在5%以內(nèi)，模擬值與仿真值基本一致，故模型成立，為以后模塊的散熱熱分析奠定了基礎(chǔ)。
同時發(fā)現(xiàn)，模擬溫度在放電過程總是高于實(shí)驗溫度。這是因為：實(shí)驗溫度所測得是電芯表面的溫度，而模擬所得是電池內(nèi)核的溫度，內(nèi)核溫度始終高于表面溫度，但是外包裝鋁塑膜很薄，故內(nèi)外溫度相差很少。
4 單體鋰電池散熱分析
鋰電池在放電過程中，如果溫度增加到一定幅值，最高溫度超過鋰電池本身特性約束的溫度，就會使電池性能惡化，壽命降低。
本節(jié)主要討論如何將單體電池溫升降低。溫度降低主要通過兩個途徑：施加外力（增大空氣流速）；在材料表面放置導(dǎo)熱性好的材料，將熱量從電池單元表面?zhèn)鲗?dǎo)出去。
根據(jù)以上方案設(shè)置，針對鋰電池進(jìn)行了兩個方向的仿真模擬：（1）正?？諝鈱α飨禂?shù)為5，為降低溫度，增大空氣對流系數(shù)，模擬分析電池表面溫度。（2）在電池兩側(cè)加0.1 mm的鋁板（電池模塊中，電池間隙最大為0.1 mm），模擬分析電池表面溫度。
分析發(fā)現(xiàn)，在電池表面加鋁板，溫度降低不明顯；而加大對流系數(shù)，溫度明顯降低，故在以后進(jìn)行模塊散熱分析時，從增大空氣流通量方面考慮。
5 總 結(jié)
本文基于鋰電池模擬仿真，針對單體鋰電池提出一個可以幫助工程師進(jìn)行熱分析及冷卻設(shè)計的方法，集中探討鋰電池放電模擬仿真，同時簡略地介紹了單體電池散熱的研究方法，通過測試研究，提出了20 Ah單體鋰電池的熱分析模型。
該模型能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地模擬出鋰電池單體在放電過程中產(chǎn)熱隨時間變化，以及電池表面溫度的變化，這對于鋰電池模塊熱分析是很重要的。該模型使以后電池模塊的熱管理及散熱分析成為可能。
［1］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Modeling and thermal simulation of a PHEV battery module with cylindrical LFP cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（9）：17－20.
［2］ Cicconi P，Germani M，Landi D.Analytical thermal model for characteri a Li－ion battery cell［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.
［3］ Ahmadou Samba，Noshin Omar，Hamid Gualous.Development of 2D Thermal Battery Model for Lithiumion Pouch Cells［J］.Barcelona，Spain，2013，（11）：17－20.
［4］ Cicconi Paolo，Michele，Landi Daniele.Cooling simulation of an EV battery pack to support a retrofit project from lead－acid to Li－ion cells［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2013.
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