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pos機(jī)電池五根線
在鋰離子電池工作的過(guò)程中由于歐姆阻抗和極化等因素會(huì)導(dǎo)致持續(xù)的產(chǎn)熱，而由于鋰離子電池在垂直極片的方向存在接觸熱阻，以及高熱阻的隔膜等因素，導(dǎo)致其散熱較差，在電池內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度，而溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致電流在電池內(nèi)部的分布不均，因而進(jìn)一步造成電池內(nèi)衰降速度的不一致。
因此，如何做好散熱是提升鋰離子電池性能的關(guān)鍵之一。近日，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的Alastair Hales（第一作者）和Gregory Offer（通訊作者）等人對(duì)鋰離子電池的散熱特性進(jìn)行了研究，并提出了散熱系數(shù)（CCC）的概念，對(duì)于特定的電池和散熱措施下，電池的散熱系數(shù)（CCC）是一個(gè)常數(shù)，因此可以根據(jù)該系數(shù)對(duì)不同電池的散熱效果進(jìn)行比較。
鋰離子電池的熱量從來(lái)源上來(lái)分主要可以分為兩類：1）可逆的熵變熱；2）不可逆熱，如歐姆阻抗熱，電荷交換阻抗熱等，因此鋰離子電池在工作過(guò)程中的產(chǎn)熱功率可以用下式來(lái)表達(dá)，其中式中第一項(xiàng)為不可逆熱，第二項(xiàng)為可逆的熵變熱。
鋰離子電池除了產(chǎn)熱外，散熱同樣重要，鋰離子電池的散熱特性受到電池形狀，電池材料和散熱方式等的影響，在該項(xiàng)研究中作者提出了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的散熱系數(shù)概念，在實(shí)驗(yàn)中作者將散熱方式統(tǒng)一為效率更高的極柱散熱方式，從而避免了電池形狀對(duì)于散熱系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)中作者采用了兩種尺寸的軟包鋰離子電池作為研究對(duì)象，其電池參數(shù)如下表所示。其中電池A為高功率型5Ah電池，電池B為高比量型7.5Ah電池，電池A的正極為NCM111材料，電池B的正極為L(zhǎng)i(Ni0.4 Co0.6 )O2材料，表2為兩種電池內(nèi)部電芯的基本參數(shù)和熱特性參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)中用于測(cè)試A和B兩款電池的發(fā)熱特性的裝置如下圖所示，其中用于電連接的母線也同時(shí)起到了極耳散熱的作用，實(shí)驗(yàn)中作者采用了15個(gè)K型熱電偶用于測(cè)量電池和烘箱溫度的變化，這些熱電偶的具體分布如下圖所示。
電池通過(guò)正負(fù)極的母線的散熱速率可以通過(guò)下式表達(dá)，其中ABB位母線的截面積，而ΔTBBneg位母線上的兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差，對(duì)于負(fù)極位9號(hào)和10號(hào)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差，對(duì)于正極則為11和12號(hào)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差
實(shí)驗(yàn)中為了測(cè)量鋰離子電池在不同的SoC狀態(tài)下的發(fā)熱特性，作者作者采用了脈沖放電的策略，也就是以20A脈沖充電1s，然后20A脈沖放電1s，持續(xù)6個(gè)小時(shí)，保證電池在整個(gè)過(guò)程中都維持同一個(gè)SoC，這一過(guò)程的熱量主要來(lái)自于不可逆熱。
下圖為作者采用模型對(duì)下圖a所示結(jié)構(gòu)的鋰離子電池在脈沖充放電過(guò)程中的溫度變化進(jìn)行了模擬，從下圖b能夠看到在20A脈沖和50%SoC條件下，采用極耳散熱時(shí)電池內(nèi)部的溫度差別小于1℃，而如果在電池的一側(cè)施加一個(gè)1.49W的加熱條件下電池內(nèi)部最大的溫差就會(huì)增加到3℃（如下圖c所示），如果在電池的兩側(cè)同時(shí)施加一個(gè)1.49W的加熱，則我們能夠從下圖d中看到電池內(nèi)部的溫差又變的非常小，從模擬結(jié)果來(lái)看，脈沖充放電能夠在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)較為均勻的溫度場(chǎng)。
實(shí)驗(yàn)中作者共測(cè)試了3個(gè)電池A和1個(gè)電池B，實(shí)驗(yàn)安排如下表所示。
下圖為上表所示的實(shí)驗(yàn)1中的電池在脈沖充放電過(guò)程中的熱功率曲線，熱功率曲線可以分為兩類：1）產(chǎn)熱功率；2）散熱功率，從下圖能夠看到在開(kāi)始的非穩(wěn)態(tài)時(shí)電池的溫度會(huì)緩慢的升高，隨著電池極耳處溫度與母線散熱處溫差不斷增大，電池通過(guò)母線的散熱功率也在不斷增大，當(dāng)產(chǎn)熱功率與散熱功率相等時(shí)電池就達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。
下圖為電池正極和負(fù)極極耳的散熱功率的對(duì)比，從圖中能夠看到由于負(fù)極極耳為銅，因此熱量沿著負(fù)極的散熱功率要比正極更快，從下圖b的正極極耳與負(fù)極極耳的散熱功率的比值可以看到，在不同的工況下，正極極耳的散熱功率僅為負(fù)極的70%左右。
由于在該實(shí)驗(yàn)中鋰離子電池的熱量主要是通過(guò)正極極耳、負(fù)極極耳擴(kuò)散出去，因此在計(jì)算鋰離子電池的散熱系數(shù)時(shí)作者也分別計(jì)算了負(fù)極散熱系數(shù)CCCneg，正極散熱系數(shù)CCCpos，以及電池總散熱系數(shù)CCCtot（如下式所示）。下圖為利用實(shí)驗(yàn)1中穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)計(jì)算得到的三個(gè)散熱系數(shù)，從下圖我們能夠看到負(fù)極的散熱系數(shù)要顯著高于正極。
下圖為電池A1在不同SoC和不同的電流下計(jì)算得到的正極、負(fù)極和電池的散熱系數(shù)，從下圖我們不難看出電池的SoC狀態(tài)和工作電流對(duì)于電池的散熱系數(shù)沒(méi)有影響，這表明無(wú)論電池處于何種工況，只要能夠達(dá)到熱平衡，我們就可以計(jì)算電池的散熱系數(shù)。
下圖為三種電池在不同實(shí)驗(yàn)中正極、負(fù)極和電池的散熱系數(shù)，從圖中能夠看到對(duì)于同種電池，散熱系數(shù)是恒定的，不受工況和電池SoC等因素的影響。
下表為A和B兩種電池的散熱系數(shù)對(duì)比，可以看到對(duì)于兩種電池而言負(fù)極的散熱系數(shù)都要顯著高于正極，而電池A由于采用了功率型的設(shè)計(jì)，因此散熱系數(shù)也要明顯高于電池B，其中A電池的負(fù)極散熱系數(shù)比B電池高65.13%，正極散熱系數(shù)高63.18%，電池整體散熱系數(shù)高62.70%。
作者最后列舉了一個(gè)散熱系數(shù)的應(yīng)用舉例，作者假設(shè)使用A電池或者B電池組成一個(gè)15Ah的電池組，該電池組需要滿足4C連續(xù)放電，但是電池使用要求最高溫度不高于40℃，根據(jù)計(jì)算A電池工作過(guò)程中的發(fā)熱功率為4.97W，B電池的發(fā)熱功率為8.28W，因此在達(dá)到熱平衡時(shí)電池極耳與散熱之間的溫差可以按照下式19計(jì)算，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)于B電池而言溫差需要達(dá)到40.59℃，因此為了滿足電池最高溫度不超過(guò)40℃，也就意味著散熱端溫度需要在-0.59℃以下，如此強(qiáng)的冷卻環(huán)境通常意味著高昂的冷卻成本，因此在實(shí)際中并不具備可行性。但是我們?cè)倏措姵谹，由于其發(fā)熱功率較小，因此達(dá)到熱平衡時(shí)電池極耳與散熱端的溫差僅為14.97℃，這也就是因?yàn)榧幢闶巧岫说臏囟仍?5℃左右時(shí)，電池的溫度也滿足小于40℃的要求，因此不難看出在這一應(yīng)用條件下，只有電池A才是滿足需求的。
長(zhǎng)期以來(lái)鋰離子電池的熱設(shè)計(jì)是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作，需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及復(fù)雜的仿真模擬，而Alastair Hales通過(guò)提出熱擴(kuò)散系數(shù)的方式極大的簡(jiǎn)化了電池的熱設(shè)計(jì)工作，同時(shí)又能很方便的對(duì)比不同電池之間的散熱能力，對(duì)于鋰離子電池的熱設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。
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The Cell Cooling Coefficient: A Standard to Define Heat Rejection from Lithium-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, 166 (12) A2383-A2395 (2019), Alastair Hales, Laura Bravo Diaz, Mohamed Waseem Marzook, Yan Zhao, Yatish Patel and Gregory Offer
文/憑欄眺
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