鉅大LARGE | 點擊量：1668次 | 2019年09月02日
大尺寸方形鋰離子電池?zé)崽匦苑治雠c仿真
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，乘用車鋰離子電池的市場需求快速增加，一般而言電池組主要分為兩大部分：由鋰離子電池單體組成的電池模塊和電池控制系統(tǒng)BMS。為了達(dá)到電動汽車所需要的容量和電壓，電池組都是將單體電池通過串聯(lián)和并聯(lián)的方法組合在一起，串聯(lián)可以提高電壓，并連可以提高容量，例如特斯拉電動汽車的電池組就是由7000多只18650電池串聯(lián)和并聯(lián)組成的，如此眾多的單體電池之間必然存在著制造差異，為了能夠保證電池的安全性和使用壽命就需要電池組BMS對電池的電壓進(jìn)行監(jiān)控，防止電池組部分電池的電壓過高或者過低；對溫度進(jìn)行監(jiān)控，防止出現(xiàn)局部電池過熱；并對串聯(lián)電池之間的電壓的不一致及時均衡，防止部分電池發(fā)生過充或者過放。也就是說，電池組BMS的復(fù)雜程度會隨著單體電池數(shù)量的增加而迅速增加，因此為了降低成本，降低BMS的復(fù)雜程度，許多廠商轉(zhuǎn)而采用容量更大的單體電池，大容量的單體電池會極大的減少電池組內(nèi)單體電池的數(shù)量，降低BMS的管理難度。但是隨著電池容量的增加也帶來了一系列的問題，例如電池的散熱問題，以及電池在濫用的情況下的安全問題等，這些都是需要我們在設(shè)計大容量單體電池需要進(jìn)行考慮的。
1.大尺寸方形鋰離子電池?zé)崽匦苑治?/strong>
考慮到空間的利用效率和電池組熱控系統(tǒng)的特點，目前乘用電動汽車電池組普遍采用了方形鋰離子電池，相比于圓柱形鋰離子電池，方形鋰離子電池在熱特性上具有其自身的特點和優(yōu)勢。英國華威大學(xué)的Thomas Grandjean等[1]針對大容量的方形鋰離子電池進(jìn)行了研究，Thomas Grandjean發(fā)現(xiàn)隨著鋰離子電池尺寸的增大，電池內(nèi)極片層數(shù)增加，電池的散熱受到一定的阻礙，因此會在電池內(nèi)部垂直于極片的方向和水平方向存在一定的溫度梯度，這也會為電池組的熱管理系統(tǒng)帶來不小的挑戰(zhàn)。
為了了解大尺寸方形鋰離子電池的熱特性，Thomas Grandjean針對商用20Ah方形LFP電池在不同的放電倍率下，電池內(nèi)的溫度梯度分布進(jìn)行了詳細(xì)的研究，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度和電池的放電電流都對電池的溫度都有密切的關(guān)系，下表詳細(xì)介紹了在不同的放電電流和環(huán)境溫度下電池的溫升。從下列數(shù)據(jù)可以看出，環(huán)境溫度越低，放電倍率越大則溫升越大。
在鋰離子電池內(nèi)部電流分布和散熱受到電池結(jié)構(gòu)、極耳的形狀和位置等因素的影響，因此放電過程中，電池不同部分的溫度變化也存在很大的不均勻性。電池不同部分的溫升圖如下圖所示，從溫升分布來看，在較大的放電倍率下電池內(nèi)的溫度分布是極不均勻的，電池中間部分溫度要遠(yuǎn)高于其他部分，極耳部分則在大多數(shù)條件下溫度都是最低的（主要是與導(dǎo)線連接帶走了部分熱量），但是在10C倍率下由于Al極耳自身產(chǎn)熱較大，導(dǎo)致其溫度較高。
由于受到極片熱導(dǎo)率較小的影響，在垂直電池方向上Thomas Grandjean發(fā)現(xiàn)電池也存在著較大的溫度梯度，并且這一溫度梯度受到電池放電倍率很大的影響，如下圖所示，在10C的大倍率下電池兩側(cè)表面的溫度差值可達(dá)到20℃左右，隨著電流的下降，溫度梯度逐漸降低。溫度梯度的存在會導(dǎo)致電池在使用過程中電流分布和SoC的不均勻，導(dǎo)致局部老化加速，進(jìn)而影響電池的使用壽命。
電動汽車在使用的過程中會面臨著啟動、急加速等特殊情況，需要鋰離子電池進(jìn)行大電流的放電，由于鋰離子電池極化和歐姆阻抗的存在導(dǎo)致電池在大電流條件下產(chǎn)熱極速增加，因此對于大電流下的大尺寸電池的熱特性研究也是鋰離子電池在實際應(yīng)用中需要關(guān)注的重點。戴姆勒汽車公司旗下生產(chǎn)鋰離子電池的子公司Dt. ACCUmotive GmbH& Co KG（為梅賽德斯-奔馳提供動力電池）的C. Veth等[2]對50Ah方形電池在大電流下的熱特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為電池的電-熱模型的建立提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，并為預(yù)測大尺寸電池內(nèi)的溫度、電流、電壓、SoC和SoH的分布提供數(shù)據(jù)支持。
50Ah的NMC/C方形電池在300A電流下放電過程中電池表面溫度變化如下圖所示（圖a，放電開始10s；圖b，放電中間250s；圖c，放電結(jié)束585s），從圖上可以看到放電開始的時候高溫區(qū)主要在靠近負(fù)極極耳的一側(cè)，這主要是因為銅箔比較薄，導(dǎo)致阻值要高于更厚的Al箔，但是在放電的后期由于受到電池邊界條件和電池形狀的影響，電池高溫區(qū)轉(zhuǎn)移到了電池的中間部分。
C. Veth同樣發(fā)現(xiàn)在電池組內(nèi)的單體電池溫度梯度隨著放電電流的增大而增大，隨著溫度的提高而減小，如下圖所示。
鋰離子電池不同的老化模式會對電池產(chǎn)生不同的影響，這也會對鋰離子電池在大電流下的熱特性產(chǎn)生影響，C. Veth研究發(fā)現(xiàn)不同的電池老化模式會對鋰離子電池的熱特性產(chǎn)生截然不同的影響，下圖中分別為日歷老化的電池（圖a），大電流循環(huán)老化電池（圖b），小電流循環(huán)老化電池（圖c）在250A放電后電池的溫度分布圖像，可以看出，不同的老化模式下電池的最熱區(qū)域也有所不同，日歷老化的電池由于存在氣室，導(dǎo)致在電池的邊角處存在一個非活性區(qū)，高倍率循環(huán)老化電池在負(fù)極極耳位置附近存在內(nèi)阻增加的非活性區(qū)域，在低倍率循環(huán)電池中這一現(xiàn)象更加顯著，內(nèi)阻增加的非活性區(qū)域僅一步擴大。
2.結(jié)構(gòu)設(shè)計對大型方形電池?zé)崽匦缘挠绊?/strong>
鋰離子電池的極耳形狀和位置對于電池內(nèi)的電流的分布、產(chǎn)熱和散熱都有著極其重要的影響，因此對于大尺寸鋰離子電池?zé)崽匦缘姆治鲞€需要考慮極耳的形狀和位置等特性。慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Stephan Kosch等[3]利用二維電-熱極化模型對鋰離子電池極耳的形狀和位置對大尺寸鋰離子電池的熱特性的影響進(jìn)行了研究，電池模型如下圖所示。
下圖是利用該模型對鋰離子電池的熱特性進(jìn)行仿真的結(jié)果（右側(cè)）與實驗結(jié)果（左側(cè)）進(jìn)行對比（4C放電），可以看到仿真結(jié)果與實驗結(jié)果符合的非常好。
為了提高鋰離子電池的能量密度減小極耳的尺寸，降低集流體的厚度時常用的方法，因此Stephan Kosch利用上述模型對下圖所示的四種接耳結(jié)構(gòu)和分布方式進(jìn)行了模擬，并分析了不同的集流體厚度（TCC1，負(fù)極=15um，正極=25um；TCC2，負(fù)極=10um，正極=17um和TCC3，負(fù)極=7.5um，正極=12.5um）對方形鋰離子電池?zé)崽匦缘挠绊懀?/p>
這極耳和不同厚度的銅箔的組合方式的方形鋰離子電池的溫度和能量密度特點如下表所示?？梢钥吹酵ㄟ^降低集流體的厚度，可以將電池的能量密度從134Wh/kg，提高到約147Wh/kg。
下圖為A1和A2兩種極耳寬度、不同的集流體厚度的電池內(nèi)部DOD和溫度不均勻的模擬結(jié)果，從圖中可以看到極耳越窄、集流體越薄則DOD和溫度的不均勻性也就越大，這主要是受到極耳和集流體的歐姆阻抗增加的影響。
通過對比A1、A2和B1、B2（如下圖所示）的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，把電池的正負(fù)極極耳放置在電池的兩側(cè)能夠明顯的減少電池DOD（降低約50%左右）和溫度的不均勻性。
大尺寸方形鋰離子電池在放電過程，特別是大電流放電過程中，由于電池極化和歐姆阻抗的作用會導(dǎo)致電池的內(nèi)部產(chǎn)熱極速增加，受到電池散熱邊界條件的影響，電池中間溫度升高要明顯快于電池邊緣部分，因此會在電池內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度，同時在垂直于電池極片的方向由于散熱受到電極極片自身的阻擋也存在明顯的溫度梯度，溫度梯度的存在會導(dǎo)致電池內(nèi)的電流分布和SoC狀態(tài)不均勻，從而導(dǎo)致鋰離子電池局部老化的加速，影響鋰離子電池的使用壽命。我們需要在電池組的熱控設(shè)計上對于方形鋰離子電池的特點予以考慮，減少大型鋰離子電池內(nèi)部的溫度梯度。在電池結(jié)構(gòu)設(shè)計上，我們注意到大性鋰離子電池極耳的尺寸、位置和厚度都對鋰離子電池內(nèi)的溫度梯度和SoC分布有顯著的影響，集流體變薄和極耳減小會導(dǎo)致電池內(nèi)部的DOD差異和溫度差異增加，這也是需要我們在高比能電池設(shè)計中需要特別注意的，電池結(jié)構(gòu)調(diào)整能夠顯著的影響電池內(nèi)的不均勻性，例如將正負(fù)極極耳的位置調(diào)整到電池的兩側(cè)能夠有效的改善這種電池內(nèi)部的不均衡。大型鋰離子電池的電-熱過程是一個非常復(fù)雜的過程，受到多種因素和邊界條件的影響，因此在電池組的熱管理設(shè)計時還需要我們進(jìn)行更多的針對性的研究。
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