一種高倍率性能電池組技術(shù)研究

郝書奎+劉祖+胡博

摘 要：鋰電池作為一種新型能源廣泛使用于后備儲能、通信儲能、電動車以及調(diào)頻領(lǐng)域，電池組作為電池系統(tǒng)的基本單元，決定著電池成組的特點以及電池系統(tǒng)的性能。結(jié)合鋰電在儲能調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用，研究開發(fā)了一種10C以上高倍率放電性能電池組，并通過對電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計、放電熱分析和模擬實驗，驗證了電池組設(shè)計的合理性，從而為高倍率放電領(lǐng)域提供一種新型的電池組設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池；電池組；電池系統(tǒng)；通信儲能

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.118

1 高倍率儲能應(yīng)用概述

鉛酸電池受到能量密度小、功率密度低、放電深度淺、溫度范圍窄等性能的限制，且其鉛是重金屬，會污染環(huán)境，諸多不利條件導(dǎo)致鋰電池替代鉛酸成為了趨勢。高倍率儲能領(lǐng)域以調(diào)頻儲能和一些特種應(yīng)用領(lǐng)域為主，目前，在此領(lǐng)域的應(yīng)用主要以超級電容或鈦酸鋰電池為主，超級電容由于其自放電大、體積大、能量密度低等特性局限，只能應(yīng)用在少數(shù)場合，而鈦酸鋰電池因成本高、能量密度低，導(dǎo)致其不能廣泛使用。功率型磷酸鐵鋰電池的成本低、能量密度高、溫度范圍大，適宜于高倍率儲能的應(yīng)用。由于鋰電池的性能和安全性受溫度的影響較大，因此，高倍率放電時的熱管理成為了重點。目前，鋰電池的倍率放電應(yīng)用大多在2C以下，而調(diào)頻領(lǐng)域要求倍率性能較高。本文闡述了一種滿足10C以上放電的電池組設(shè)計，此設(shè)計方案目前在國內(nèi)還沒有相關(guān)應(yīng)用可供查閱。

2 高倍率鋰電池組設(shè)計

2.1 鋰電池組發(fā)展現(xiàn)狀

單體鋰電池具有優(yōu)異的性能，而動力電池只會以電池組的形式出現(xiàn)。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，這些新型電池的優(yōu)良性能會大大折扣，這是因為電池組的一致性、熱處理、抗振性等較差。

目前，鋰電池在市場上應(yīng)用較多的領(lǐng)域有電動車、儲能和通信領(lǐng)域，電動車的空間有限、能量密度要求較高，一般的放電倍率都在1C以下；儲能領(lǐng)域以千瓦級和兆瓦級儲能系統(tǒng)為主，比如張北風(fēng)光儲能示范項目、南網(wǎng)兆瓦級儲能項目等都是0.3C或0.5C的放電倍率為主，涉及放電倍率較大的調(diào)頻領(lǐng)域還沒有成功應(yīng)用的案例；通信電源領(lǐng)域的放電倍率1C以下。因此，在調(diào)頻領(lǐng)域，大倍率（10C以上）放電性能電池組的研究在國內(nèi)尚屬空白。

2.2 鋰電池組設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

高倍率電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計需要滿足以下6個原則：①所選電池應(yīng)具有高倍率放電性能；②采取一定的溫控措施，保證電池組工作在適宜的溫度范圍內(nèi)；③保證電池組一定的機械強度，滿足適宜環(huán)境下的振動要求；④根據(jù)電力環(huán)境的使用要求，滿足絕緣要求和阻燃要求；⑤設(shè)計應(yīng)便于安裝和維護(hù)；⑥電池組之間應(yīng)便于串聯(lián)連接。

上述電池組設(shè)計的6個原則中，高倍率電池組設(shè)計的關(guān)鍵或難點體現(xiàn)在②、③及④中。本文選用中航鋰電的某型號方形鋰電池對鋰電池組設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

2.3 鋰電池組方案設(shè)計

在電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，電池工作溫度場控制是一個重要的研究方面，大容量、大功率的動力鋰電池的性能對溫度變化的反應(yīng)尤為敏感，主要表現(xiàn)為大功率引起的高溫問題，會引起電池內(nèi)部電解液分解、SEI膜分解、電解液與正負(fù)極發(fā)生反應(yīng)等現(xiàn)象。優(yōu)化電池組結(jié)構(gòu)，使電池組工作在適宜的溫度場中，避免電池組出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。鋰電池的熱管理要處理的核心問題為：如何避免鋰電池的熱失控。本方案主要從電池組結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了設(shè)計，保證電池組工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，滿足電池組的公路和船舶運輸強度要求。

2.4 電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1所示為電池組模塊，電池組模塊材料選用高強度塑料材料。電池組底部厚度加強，且布置有多條橫豎拉筋，箱體內(nèi)部預(yù)留電池安裝槽。為了減少電池組工作和運輸過程中的振動，電池安裝槽內(nèi)貼橡膠墊，側(cè)面板上增加多組筋板，前面板預(yù)留有風(fēng)扇安裝孔，電池組側(cè)面板上預(yù)埋有螺母。

2.5 電池模塊散熱分析

電池組中，每兩支電池間都預(yù)留了間隙風(fēng)道，在前面板設(shè)計有大功率風(fēng)扇進(jìn)行抽風(fēng)，電池組尾部設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口，對應(yīng)電池之間的縫隙，進(jìn)而對每一支電池進(jìn)行強制風(fēng)冷。因此，可以比較好地控制溫升。電池組設(shè)計和電池集成效果如圖2所示，其中，電池組面板上預(yù)留孔位安裝了風(fēng)扇，尾部預(yù)留了進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行冷卻。

圖3為電池組散熱分析，在氣流的入口和出口風(fēng)速相對較高。在電池縫隙中，風(fēng)速相對較低，電池箱內(nèi)最高風(fēng)速可達(dá)到2.67 m/s。由于電池的頂部和電池箱的側(cè)部縫隙相對較大，空氣阻力相對較小，因此，風(fēng)量在箱體的上部和側(cè)部分布相對較多，散熱效果良好。

2.6 電池模塊振動分析

電池模塊在運輸和實際工況下會出現(xiàn)振動，電池模塊的振動會使得電池極柱與銅排的連接松動，導(dǎo)致電阻增大，接觸點溫升過高。而過高的電流可能熔斷連接松動的銅排，且振動較大時，電池模塊易被破壞。在不同工況下，需要進(jìn)行振動性分析，確保在運輸和實際工況下電池模塊的穩(wěn)定性。對電池模塊進(jìn)行垂直軸隨機振動、橫側(cè)軸隨機振動、縱向軸隨機振動、運輸隨機振動和實際工況船舶振動分析，經(jīng)模擬仿真分析，該系統(tǒng)滿足振動技術(shù)要求。電池模塊垂直軸隨機振動如圖4所示，電池模塊橫側(cè)軸隨機振動如圖5所示，電池模塊橫側(cè)軸隨機振動如圖6所示，電池模塊運輸隨機振動如圖7所示，電池模塊船舶振動如圖8所示。

3 試驗驗證

對完成的系統(tǒng)樣品進(jìn)行了振動及溫升測試試驗，經(jīng)試驗驗證，樣品的結(jié)構(gòu)特性未發(fā)生變化，且充放電溫升及溫差幅度滿足設(shè)計技術(shù)要求，具體如圖9和圖10所示。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)試驗驗證，該電池模塊具有能量密度高、散熱性能好、絕緣性能佳和運輸維護(hù)方便等優(yōu)點，解決了磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)在高倍率調(diào)頻領(lǐng)域應(yīng)用的難題。

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