如何高效地為鋰離子電池散熱？
時(shí)間:2019-09-18 09:39來(lái)源:新能源Leader 作者:憑欄眺
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鋰離子電池在充放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的熱量，特別是在大電流充放電的過(guò)程中會(huì)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量，但是由于鋰離子電池結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在不同的方向上熱導(dǎo)率存在顯著的差異，在平行于極片的方向上的熱導(dǎo)率要顯著高于垂直于極片方向的熱導(dǎo)率，因此不同的散熱方式不僅在效率上存在顯著的區(qū)別，而且不適當(dāng)?shù)纳岱绞竭�會(huì)在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度梯度，影響電池內(nèi)部電流的分布，進(jìn)而導(dǎo)致電池內(nèi)部衰降的不一致，嚴(yán)重影響鋰離子電池的使用壽命。
近日，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Yan Zhao（第一作者）和Teng Zhang（通訊作者）、Gregory J. Offer（通訊作者）等通過(guò)建立二維模型的方式對(duì)鋰離子電池“表面散熱”和“極耳散熱”兩種散熱方式的效果和對(duì)于鋰離子電池壽命的影響進(jìn)行了研究，并對(duì)于如何優(yōu)化“極耳散熱”提出了建議。
首先作者在MATLAB R2017中建立了一個(gè)二維模型（如下圖所示），該模型模擬了電池在一個(gè)橫切面（長(zhǎng)×厚）的溫度分布情況。
為了驗(yàn)證模型的有效性，作者采用了三種結(jié)構(gòu)的軟包電池對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，三種電池的正極材料均為NCM622材料，負(fù)極均為石墨材料，電池容量為16Ah，尺寸為117mm×101mm×11.5mm，其正極、負(fù)極和隔膜的結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致，僅極耳結(jié)構(gòu)和位置不同（如下圖所示），三種電池的極耳結(jié)構(gòu)詳細(xì)信息如下表所示。
實(shí)驗(yàn)中用到的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如下表所示
下圖為實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的電池中間位置表面、電池極耳和冷卻池的溫度變化曲線，從下圖a（負(fù)極極耳冷卻）中能夠看到相比于窄極耳的C30電池，寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池在中心位置表面溫度低2.3℃，在負(fù)極極耳位置低1.5℃，從下圖b（正極極耳冷卻）能夠看到寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池在冷卻效果上仍然具有優(yōu)勢(shì)，在中心位置C70電池的溫度低2℃，極耳位置低0.7℃，表明寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的減少電池的熱阻，同時(shí)相比于正極極耳散熱，負(fù)極極耳冷卻熱阻較小，也能夠提升散熱效果。
為了驗(yàn)證不同的散熱方式對(duì)鋰離子電池表面溫度的影響，作者對(duì)S30電池采用表面冷卻的方式進(jìn)行散熱，然后對(duì)于S30、C30和C70三個(gè)電池進(jìn)行極耳散熱，所有電池首先以1C進(jìn)行充電，然后以5C倍率進(jìn)行放電，接著進(jìn)行2C充電，在這一過(guò)程中電池表面溫度變化的如下圖所示。
從下圖中能夠看到采用表面散熱的S30電池在整個(gè)過(guò)程中電池表面的溫度最低，在放電結(jié)束時(shí)的最高溫度為33.3℃，采用極耳散熱的S30和C30電池溫度最高，在放電結(jié)束時(shí)電池溫度分別達(dá)到了45.5℃和44.5℃，而采用寬極耳設(shè)計(jì)的C70電池溫度出現(xiàn)了明顯的降低，放電結(jié)束時(shí)的最高溫度比窄極耳設(shè)計(jì)的S30和C30電池低了6℃，表明寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的提升散熱效果。
從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到盡管寬極耳設(shè)計(jì)能夠有效的提升極耳散熱的效果，但是相比于表面散熱其最高溫度仍然要高7℃，為了進(jìn)一步優(yōu)化極耳散熱效果，作者采用二維模型對(duì)電池進(jìn)行了模擬仿真。下圖為針對(duì)C70電池進(jìn)行的模擬仿真結(jié)果，從下圖c能夠看到仿真得到的電池溫度變化曲線與電池實(shí)際的溫度變化曲線之間高度一致，這表明該模型能夠很好的模擬鋰離子電池在實(shí)際工作中的溫度變化情況。
下圖為采用模型模擬的三種電池分別采用表面散熱、極耳散熱方式進(jìn)行熱管理時(shí)電池的溫度變化曲線，對(duì)于采用表面散熱的S30電池，模型得到的溫度與實(shí)際的溫度在S3位置最大誤差為1.5℃，對(duì)于采用極耳散熱的C30電池在S1和S3位置的最大誤差分別為-1.5℃和1.9℃，對(duì)于采用極耳散熱的S30和C70電池模型仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間相差不到1℃，表明該模型能夠提供可接受精度的溫度預(yù)測(cè)。
下圖為通過(guò)模型得到的采用表面散熱方式的S30電池和采用極耳散熱方式的C70電池內(nèi)部的溫度變化、電流分布變化和局部SoC變化，從下圖a我們能夠看到由于S30電池通過(guò)電池頂部表面散熱的方式對(duì)電池進(jìn)行散熱，因此能夠看到電池內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的溫度梯度，相比之下采用極耳散熱方式的C70電池溫度就要均勻的多。
由于鋰離子電池的動(dòng)力學(xué)特性與電池的溫度密切相關(guān)，因此由于溫度梯度的存在，我們能夠觀察到S30電池內(nèi)部也出現(xiàn)了顯著的電流分布不均的現(xiàn)象，而相比之下C70電池的溫度分布則要均勻的多。同時(shí)由于電流分布不均的存在最終也導(dǎo)致了S30電池內(nèi)部局部SoC的不均勻，在靠近冷卻面的位置由于電流較小，因此最終的SoC要明顯的高于其他位置。
從上面的分析能夠看到極耳散熱能夠有效的提升散熱過(guò)程中電池內(nèi)部溫度、電流和SoC的均勻性，但是受限于極耳散熱較小的面積，因此絕對(duì)散熱量上仍然要比表面散熱小，因此作者進(jìn)一步對(duì)極耳形狀對(duì)于極耳散熱的效果進(jìn)行了研究和分析。
作者以散熱效果較好的C70電池作為基礎(chǔ)，對(duì)極耳的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，下圖b展示了極耳寬度對(duì)于電池在放電過(guò)程中的平均溫度、最高溫度和最低溫度的影響，從圖中能夠看到電池極耳寬度從10mm提高到90mm，放電結(jié)束時(shí)電池的平均溫度從44.5℃下降到了39.5℃，電池在長(zhǎng)度方向上的最大溫差從1℃增加到了2.4℃，由于極耳重量的增加，電池的重量能量密度從210Wh/kg降低到了207Wh/kg。
從下圖c可以看到當(dāng)極耳的厚度從0.2mm增加到1mm，電池在放電結(jié)束后的平均溫度從40.4℃降低到了34.4℃，同時(shí)電池內(nèi)部在長(zhǎng)度方向上的溫度梯度也從2℃增加到了3.7℃，由于極耳重量的增加，電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了197Wh/kg。
下圖d則展示集流體厚度變化對(duì)于電池散熱效果的影響，從圖中能夠看到增加集流體厚度對(duì)于提升電池散熱效果的影響比較小，集流體厚度增加90%，電池在放電結(jié)束時(shí)的平均溫度僅下降0.25℃，長(zhǎng)度方向上的溫度梯度從2℃下降到1.5℃，但是由于集流體重量升高電池的重量能量密度從210Wh/kg下降到了177Wh/kg，可以說(shuō)通過(guò)提高集流體的厚度提升電池散熱效果的方法效率很低。
Yan Zhao的工作表明極耳散熱的瓶頸主要還是在極耳的截面積，無(wú)論是提升極耳的寬度和厚度都能夠有效的改善電池的散熱效果，特別將厚度提高到1mm后，極耳散熱的效果能夠能夠與表面散熱接近，同時(shí)極耳散熱還能夠有效的減少電池內(nèi)部的溫度梯度，從而提升電池內(nèi)部電流、SoC的均勻性，從而達(dá)到提升電池循環(huán)壽命的目的。
本文主要參考以下文獻(xiàn)，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途。如有任何版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系。
How to Cool Lithium Ion Batteries: Optimising Cell Design using a Thermally Coupled Model, Journal of The Electrochemical Society, 166 (13) A2849-A2859 (2019), Yan Zhao, Laura Bravo Diaz, Yatish Patel, Teng Zhang and Gregory J. Offer
(責(zé)任編輯：子蕊)
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