鋰離子電池產熱熱量控制技術研究國內外文獻綜述鋰離子電池鋰離子電池的工作原理及充放電倍率正極材料是鋰離子電池的重要組成之一，負責提供電池充電時發(fā)生的電化學反應所需的鋰離子，需要有較好的脫／嵌鋰電位以及穩(wěn)定的充放電平臺，在電解液環(huán)境下呈惰性狀態(tài)和壽命長等特點；負極材料也是鋰離子電池的重要組成，同正電極一樣，需要有較好的脫／嵌鋰電位以及穩(wěn)定的充放電平臺，在電解液環(huán)境下呈惰性狀態(tài)和壽命長等特點。鋰離子電池內部工作原理如下圖。圖SEQ圖\*ARABIC3鋰離子電池內部工作原理充電時，正極上生成的鋰離子在電解液中到達電池的負極發(fā)生反應；在放電過程中，負極中的鋰離子脫嵌，經電解液又運動回到電池的正極[10]。雖然目前較為成熟的鋰電池技術是圓柱形電池技術，其制作成本也較低，但是由于其散熱能力并不好，所以目前電動自行車大多采用的是方形電池。鋰離子電池的充放電倍率指，電池在規(guī)定的時間內放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)據(jù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母C表示。對于24ah電池來說，2C放電電流為48A,0.5C放電電流為12A。鋰離子電池的產熱機理鋰離子電池在充放電過程中發(fā)生化學反應，會放出大量的熱，然后通過熱沉之間的相互作用將產生的熱量耗散。電池產熱來源主要有電化學反應熱，極化熱和電池內阻產熱[11]。在極限工況如過充電、放電和高溫條件下電池發(fā)生副反應、電極材料以及電解液分解所產生的熱量[12]是副反應熱。建立合理的鋰離子電池生熱率模型是準確預測電池溫度的必要基礎[13]，目前廣泛使用Bernardi數(shù)學模型[14]建立鋰離子電池生熱率模型?；谀芰渴睾愣傻腂ernardi生熱率模型來獲取電池的生熱速率，計算如下：q=公式1式中：q為鋰離子電池單位體積生熱率，W·m-3；V為電池體積，m3；E為開路電壓，V；U為工作電壓，V；I為工作電流，A，充電電流為正值，放電電流為負值；T為熱力學溫度，K；dEdT為溫熵系數(shù)，V·K-1[15]q=40.411I×I+1.102I×T公式2鋰離子電池的工作溫度在影響電池性能的眾多因素中，溫度對電池性能的影響最大，在鋰離子電池內部發(fā)生的各種反應和電極材料的性能直接與溫度相關。表SEQ表\*ARABIC1常用正極材料性能表材料磷酸亞鐵鋰錳酸鋰鈷酸鋰三元鎳鈷錳溫度-20℃~75℃>50℃快速衰退-20℃~55℃-20℃~55℃使用領域電動汽車及大規(guī)模儲能電動工具，電動自行車，電動汽車及儲能傳統(tǒng)3C電子產品3C電子產品，電動工具，電動自行車，電動汽車及大規(guī)模儲能由表1可知，三元鋰電池的最高溫度應該處于55℃以內，一旦溫度超過這個溫度，可能使電池內部正常的電化學反應受到影響，打破電池內部原來化學反應的平衡狀態(tài)，加劇內部的化學反應，使其變得無法控制，進而破壞電池的內部結構，急劇縮減電池的使用壽命。使鋰離子電池發(fā)生熱失控的原因有很多，但是最常見也是最直接的原因是高溫[16]，鋰電池最佳的溫度區(qū)間20～40℃內[17]。當鋰離子電池內部溫度高于55℃的時候，在鋰離子電池的內部會發(fā)生大量的副反應，使電池內部的結構受到破壞，同時副反應會放出氣體，使電池內壓增大，造成電池泄露甚至爆炸。因此要將電池內部溫度控制在50攝氏度之內，所以在模擬出充電巢柜的溫度場分布之后，應當根據(jù)模擬結果對巢柜體結構進行優(yōu)化，確保其安全性。動力電池溫度控制技術研究進展通過使用一些對溫度進行控制的技術，來保證動力電池可以在其最佳的工作溫度區(qū)間內進行工作，同時盡可能的維持其內部各個單體電池的溫度相同。能夠實現(xiàn)高溫散熱、低溫加熱的過程就是為了達到溫度控制。存在不同的控溫介質、控制裝置，把他們分開，進行相互配合，就可以出現(xiàn)多種冷卻方案，下面介紹了以液體和空氣為介質的溫度控制和改進方案?？諝饬魍販?/p>

在空氣流通控溫中，主要是把空氣作為熱交換過程的介質，利用空氣對流的原理，帶走鋰離子電池內部的熱量，實現(xiàn)對鋰離子電池內部溫度的控制。當鋰離子電池處在充放電狀態(tài)時，因為內部化學反應放熱導致其內部的溫度較高，外部空氣的溫度較低，然后溫度較低的空氣與溫度較高的鋰離子電池、模塊等元件進行直接接觸換熱，流過的空氣已經與電池元件發(fā)生了換熱，帶走了電池內部的熱量，然后這些空氣再沿著管道流出箱體，電池放出的熱量就一同被帶出了箱體，從而實現(xiàn)了對箱體內部的降溫效果，再根據(jù)在進風口處有無加裝強制通風裝置，又可以將此技術分成自然通風控溫技術和強制通風控溫技術兩種。自然通風控溫技術是不加任何外部條件、壓力等情況，僅僅依靠車輛行駛時與空氣發(fā)生的相對流動，使空氣帶走電池內部反應放出的熱量，實現(xiàn)對電池溫度的控制。在強制通風控溫方案中，一般會在通風處外加一個類似于鼓風機類的通風裝置來推動空氣在箱體內流動，提高空氣與電池的換熱速率。使用強制通風方案的電池箱體一般會被設計成腔體結構，箱體的其中一個通風口設計為空氣入口，在另一通風口則需要加裝相關裝置，例如冷卻風扇等，然后通過檢測設備，在計算機的電池管理系統(tǒng)中觀察溫度傳感器的實時溫度，并根據(jù)監(jiān)測到的溫度值與目標溫度值的大小，來隨時調整裝置中冷卻風扇的通風功率，保證箱體內溫度在目標溫度范圍內。電池模塊內部的各個單體電池之間也設計了能夠使空氣流通的適當?shù)拈g隙，進而能夠更好的實現(xiàn)溫度控制的效果。自然通風控溫因為不需要施加額外的功率，所以這種方法的冷卻效果一般要差于強制通風控溫。但是強制通風控溫需要消耗更多的能量，而且這種控溫方法對設備的要求也比較高，不僅需要在進風處加裝空氣過濾裝置，并且要保證空氣的干凈度，以防止空氣中的灰塵、水汽等雜質積累在電池的內部，從而造成裝置內部的空氣流通不暢甚至氣流通道阻塞的情況，會對電池造成巨大的危害。同時對設計中實現(xiàn)過濾功能的裝置，為了保證過濾裝置工作效果的良好性，也要對其定期進行檢查、維修、換新。在鋰離子電池溫度較低時，為了使其溫度上升，可以加裝加熱裝置。在冷卻時，流速較高或者相對溫度較低的空氣都能夠滿足對電池進行冷卻的需求[18]，一般情況下，自然空氣冷卻不能達到人們預期的溫度，需要通過強制通風控溫對動力電池的溫度進行控制。在設計使氣體流動的通道時，控制溫度的風扇的安裝位置和腔體內部的電池的排列方式等不同，也會對電池控溫效率的好壞產生影響[18,19]。當電池之間的間隙相同時，對齊排列的鋰離子電因為氣體在電池間流動阻力更小，更順暢，所以其散熱效率要比交錯排列的散熱效率高[20]。圖SEQ圖\*ARABIC4強制通風控溫示意圖液體循環(huán)控溫在液體循環(huán)控溫技術中，換熱介質為冷卻液體，利用導熱的原理來控制鋰離子電池內部的溫度[21]。隨著現(xiàn)在人們對電動汽車的輸出功率、充電效率等性能要求的不斷提高，電池內部的產熱率也越來越高，所以目前液體循環(huán)控溫方法成為了一種優(yōu)選方案[22,23]。圖SEQ圖\*ARABIC5動力電池液體循環(huán)控溫系統(tǒng)原理圖在動力電池模塊內部一般有串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式的換熱通道。如下圖，一種是串聯(lián)式的液體循環(huán)通道控溫，另一種是采用并聯(lián)式的液體循環(huán)通道。圖SEQ圖\*ARABIC6液體循環(huán)串聯(lián)通道控溫原理圖圖SEQ圖\*ARABIC7液體循環(huán)并聯(lián)通道控溫原理圖氣體循環(huán)對溫度的控制效果會差于液體介質，所以在單體電池的表面增加一層導熱層，能夠增強單體電池與流動介質間的的傳熱效率。需要合理控制冷卻液在所鋪設備管路中的流動速率[24]。共享電池站負荷特性模型共享電池站(SharedBatteryStation,SBS)作為一種集電動汽車電池充放電、交換功能于一體的服務設施，通過設計分區(qū)控制的調度策略有效實現(xiàn)共享電池充放電全過程管控，在保障電動汽車用戶能源補充需求的基礎上，利用SBS產銷者特性，提供多種削峰填谷、功率調節(jié)、后備儲能對內業(yè)務，提高SBS的經濟效益與社會福利[25]。電動汽車用戶可以通過官方APP發(fā)出換電申請，如果用戶無特殊需求，控制中心默認將指定SBS中電荷量(SOC)最高的電池編號分配給該用戶，用戶也可以通過APP選擇指定SOC的電池。在換電過程中，通過智能傳送帶將低電量的電池送入相應編號的電池空箱中，付費交易完成后，高電量電池從電池箱中彈出，經智能傳送帶送入電動汽車。依據(jù)電池SOC差額與滿意度評估規(guī)則進行收費。此外、站內電池在SBS和用戶之間不斷的循環(huán)使用，由于用戶的過度放電等不正當使用行為和站內電池的不斷充放電，對電池的折損無可避免，站內有效電池數(shù)量隨著時間的推移也相應發(fā)生變化。圖SEQ圖\*ARABIC8共享電池站模型鋰電池單體起火燃燒過程仿真模擬動力鋰電池的熱失控情況的觸發(fā)條件有很多，例如碰撞、過充或過溫、濫用等，但是都有一個共同標志，就是電池內部溫度升高，觸發(fā)副反應，釋放出大量的熱，電池內積累更多的熱量，從而造成電池溫度繼續(xù)上升；同時這些副反應的產物是氫氣、一氧化碳和甲烷等氣體，高溫和生成的可燃性的氣體在電池內部堆積，會在電池內部形成很強的內壓，當電池的內壓大于外界環(huán)境的壓力，就會導致電池發(fā)生外殼膨脹、破裂的情況，電池內部副反應產生的的可燃性氣體、有機溶劑蒸汽和電解液等高溫可燃物會被排出，空氣中的氧氣遇到被排出的高溫的可燃物，極有可能產生冒煙、火星和射流火等燃燒現(xiàn)象。對于火災動力學對車用鋰電池熱失控時的起火燃燒過程進行數(shù)值模擬，通過結合一些邊界條件等可以使模擬結果成為一個封閉可解的方程組[26]。在求解算法上，將火場分解為大量矩形單元，使用方程組計算每個單元內的氣體密度、速度、溫度、壓力和組分濃度，利用二階中心差分法對空間導數(shù)做近似處理，利用二階預測—校正方法更新流體的各個變量，結合混合分數(shù)燃燒模型和電池材料燃燒特性來計算火災的成長和蔓延，從而得到在火災過程中氣體濃度、能量、煙氣和溫度等參數(shù)在時間和空間上面的分布。以上所述的電池起火燃燒過程數(shù)值模型構建方法可表示如圖9所示。圖SEQ圖\*ARABIC9電池起火燃燒過程數(shù)值模型構建方法電池組散熱數(shù)值模擬主要使用有限元分析法進行動力電池組散熱系統(tǒng)數(shù)值模擬及優(yōu)化分析，所以使用Ansys里面的一系列軟件來解決本次模擬的熱傳遞問題。設置兩個對稱面，分別是X=705mm和Z=103.5mm。然后將鋰離子電池組設置為體熱源，在管道入口處設置了空氣的入流速度，冷卻液的溫度設置為300K，管都出口不需要設置，所得電池組及流體區(qū)域的溫度分布如圖10。圖SEQ圖\*ARABIC10動力電池與流體溫度分布由上圖可知：沿著冷卻液從入口到出口的流動方向，內部的鋰離子的電池溫度越來越高，在冷卻液的入口附近，冷卻液與電池組的溫度差最大，熱交換效率也最高，在這個地方的冷卻效果最好，同樣該區(qū)域的電池被帶走的熱量最多，鋰離子電池的溫度也最低，冷卻液的溫度越來越高，冷卻液與鋰離子電池的換熱效率也越來越低，此時冷卻液的冷卻效果下降，到流道出口處電池溫度最高，冷卻液溫度最高，二者溫差最小，換熱效率也最低。參考文獻段文卿.風冷式動力電池包溫度場分析及優(yōu)化[D].重慶:重慶交通大學,2018.RAOZ，WANGS．Areviewofpowerbatterythermalenergymanagement[J]．Renewable＆SustainableEnergyReviews，2011，15(9)：4554-4571．PARKH．Adesignofairflowconfigurationforcoolinglithiumionbatteryinhybridelectricvehicles[J]．JournalofPowerSources，2013，239：30．36．ZHAOJ，RAOZ，LIY．Thermalperformanceofmini·channelliquidcooledcylinderbasedbatterythermalmanagementforcylindricallithium·ionpowerbattery[J]．EnergyConversion＆Management．2015，103：157-165．YANGNX,ZHANGXW,LIGJ,etal.Assessmentoftheforcedair-coolingperformanceforcylindricallithium-ionbatterypacks:acomparativeanalysisbetweenalignedandstaggeredcellarrangements[J].Appliedthermalengineering,2015,80(3):55-65HUSSAINA,TSOCY,CHAOCYH.Experimentalinvestigationofapassivethermalmanagementsystemforhigh-poweredlithium-ionbatteriesusingnickelfoamparaffincomposite[J].Energy,2016,115:209-218.LIUHuaqiang，WEIZhongban，HEWeidong，eta1．ThermalissuesaboutLi-ionbatteriesandrecentprogressinbatterythermalmanagementsystems：areview[J]．EnergyConversionandManagement，2017，150：304—330．張浩，羅志明，宋韓龍，等．電動車動力鋰離子電池水冷系統(tǒng)研究[J]．汽車實用技術，2017(6)：47-50．ZHANGHao，LU0Zhiming，SONGHanlong，etal，Researchonwatercoolingsystemforelectricvehiclepowerlithiumionbattery[J]．AutomotivePracticalTechnology，2017(6)：47-50．安周建，賈力，楊成亮，等．鋰離子動力電池液體冷卻實驗研究[J]．中國科學院大學學報，2018，35(2)：254—260．ANZhoujian，JlALi，YANGChengliang，eta1．Experimentalstudyonliquidcoolingoflithiumionpowerbattery[J]．JournalofuniversityofChineseAcademyofSciences，2018，35(2)：254-260．孫蕾,林歆悠.基于不同工況溫升規(guī)律分析的鋰電池組散熱方案優(yōu)化[J].機械設計與制造,2017,(10):55-59.DOI:10.3969/j.issn.1001-3997.2017.10.014顧磊.鋰離子電池在新能源汽車中的應用與發(fā)展探討[J].時代汽車,2021(08):105-106.劉兵.電動汽車鋰離子電池熱特性分析及液冷性能優(yōu)化[D].江蘇大學,2019.吳青余,張恒運,李俊偉.校準量熱法測量鋰電池比熱容和生熱率[J].汽車工程,2020,42(01):59-65.BRENARDID，PAWLIKOWSKIE，NEWMANJ．Ageneralenergybalanceforbatterysy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