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關(guān)于大型電池的熱問題分析

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:985次  |  2018年10月10日  

大型電池的問題主要是電池?zé)釂栴},是要講大型電池的熱問題。會(huì)分兩個(gè)部分講解,一個(gè)是講我們對(duì)于電池大型化的理解;第二個(gè)是講對(duì)于大型電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所必須要了解的電池?zé)崽匦缘膯栴}。

電池大型化:以我們對(duì)大型化的定義相對(duì),首先看一下大家更熟悉的電池,這個(gè)大家都很熟悉,最早的1865只能做到1Ah。隨著密度越來越高可能做到3-4Ah。它的系統(tǒng)容量一般到10-100WH。相應(yīng)它的單體能量也比較小,10650圓柱也比較常見。在這個(gè)電池上中國產(chǎn)業(yè)電池技術(shù)非常好,遠(yuǎn)遠(yuǎn)早過動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展之前,在中國很多企業(yè)像CATL、BYD、力神都是非常重要的手機(jī)電池供應(yīng)商。

大型電池的熱問題

我的感覺在十年之前,大家在提動(dòng)力電池,這種用于驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能兩種場(chǎng)景的高能量電池系統(tǒng)具有系統(tǒng)大、單體也大的特點(diǎn),儲(chǔ)能大家可以理解用在電網(wǎng)中,在電網(wǎng)中做功率的調(diào)整或者和可再生能源放在一起,做一些可再生能源的吸納。

驅(qū)動(dòng)大家最熟悉的就是車輛驅(qū)動(dòng),像特種也在做,飛機(jī)也是。大家可能比較熟悉的電飛機(jī)概念是多電,而不是電驅(qū)動(dòng),用的還是傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī),現(xiàn)在我們跟國內(nèi)新型電飛機(jī),在沈陽試飛了。

由于驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)以車輛來說,大家熟悉的是帶電量是20-50KWH。而儲(chǔ)能電站就更多了,相應(yīng)它的單體容量也在擴(kuò)大。大型化一個(gè)簡(jiǎn)單的出發(fā)點(diǎn)就是希望減少系統(tǒng)的并聯(lián)數(shù),并聯(lián)代表著節(jié)點(diǎn)增多,可靠性有問題,也代表著連接損耗增加。為減少并聯(lián),單體要大。

用在汽車當(dāng)中的單體,混合動(dòng)力比較小一點(diǎn),我們最常見的10-50kWH,展會(huì)上會(huì)見到一些大的,100-200的也有。特斯拉是一個(gè)特例,一方面他在電池管理上面有大量的工作要做,對(duì)系統(tǒng)性可靠成本都提出了很大的要求,下一代的特斯拉大家可以看到報(bào)道,往這些更大的電池上面拓展。

大型化大家的感覺就是容量大,體積大,再更細(xì)觀的上面有什么不同,我們做系統(tǒng)管理的研究人員做這種定位還很罕見,我們總結(jié)了以上四點(diǎn):

第一點(diǎn)是傳質(zhì)路徑增長,簡(jiǎn)單來說就是鋰子和電子,傳質(zhì)路徑一般在負(fù)極,為了提高能量,電極越囤越厚,幾十上百微米。傳質(zhì)電池帶來的問題就是傳質(zhì)不高的地方鋰子濃度非常高,這樣可能會(huì)帶來電池的提前截止,事實(shí)上是能量的一種浪費(fèi)。

第二點(diǎn)傳質(zhì)的路徑增長,這個(gè)好理解,這其中也有一個(gè)數(shù)量級(jí)的增加,還有一點(diǎn)更容易被忽視的是電池表面和整個(gè)的比較,假如就是一個(gè)立方體尺度的比例不變,算出來的這個(gè)A/V是跟這個(gè)相關(guān)的數(shù)字,散熱的能力正比面積,A/V減小以后電池的散熱比較差,第二點(diǎn)和第三點(diǎn)都會(huì)造成電池在單體內(nèi)有一個(gè)很大的溫度分布。

第四點(diǎn)我們總結(jié)為內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)的大量形成。層節(jié)式的電池幾十片電池片,這是很顯著的結(jié)構(gòu),大型的卷繞式電池內(nèi)部也有多節(jié)點(diǎn)。這是我們對(duì)大型化的一些理解。

大家可以看到,1234點(diǎn)帶來的一個(gè)主要問題就是電池內(nèi)部的多種力量都會(huì)發(fā)生非均勻的濃度,比如等離子濃度,比如溫度帶來的并聯(lián)等等,如果能夠緩解速度控制來消除這些分布可以很顯著的提高大型電池的性能。

應(yīng)對(duì)大型化挑戰(zhàn),國內(nèi)的動(dòng)力電池企業(yè)做了大量的研發(fā)工作,我把它總結(jié)為電池設(shè)計(jì)和電池管理兩類:設(shè)計(jì)是偏電芯廠為主,中國引進(jìn)了國際上一些非常知名的企業(yè)。第二類的工作我把它叫做電池管理,采購電芯了以后怎么把它做成一個(gè)好的模塊,怎么做成組,有一個(gè)組以后怎么添加傳感原型的組建,這個(gè)工作也在做,一些獨(dú)立的Pack廠和整車企業(yè)更關(guān)注。

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