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pos機電池五根線(xiàn)
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 )導致持續的產(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，導致其散熱較差，在電池內部產(chǎn)生較大的溫度梯度，而溫度梯度的存在會(huì )導致電流在電池內部的分布不均，因而進(jìn)一步造成電池內衰降速度的不一致。
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，英國帝國理工學(xué)院的Alastair Hales（第一作者）和Gregory Offer（通訊作者）等人對鋰離子電池的散熱特性進(jìn)行了研究，并提出了散熱系數（CCC）的概念，對于特定的電池和散熱措施下，電池的散熱系數（CCC）是一個(gè)常數，因此可以根據該系數對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(lèi)：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，其中式中第一項為不可逆熱，第二項為可逆的熵變熱。
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，在該項研究中作者提出了一個(gè)標準的散熱系數概念，在實(shí)驗中作者將散熱方式統一為效率更高的極柱散熱方式，從而避免了電池形狀對于散熱系數的影響。實(shí)驗中作者采用了兩種尺寸的軟包鋰離子電池作為研究對象，其電池參數如下表所示。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(cháng)i(Ni0.4 Co0.6 )O2材料，表2為兩種電池內部電芯的基本參數和熱特性參數。
實(shí)驗中用于測試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(xiàn)也同時(shí)起到了極耳散熱的作用，實(shí)驗中作者采用了15個(gè)K型熱電偶用于測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)正負極的母線(xiàn)的散熱速率可以通過(guò)下式表達，其中ABB位母線(xiàn)的截面積，而ΔTBBneg位母線(xiàn)上的兩個(gè)測溫點(diǎn)之間的溫差，對于負極位9號和10號測溫點(diǎn)之間的溫差，對于正極則為11和12號測溫點(diǎn)之間的溫差
實(shí)驗中為了測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下圖a所示結構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)電池內部的溫度差別小于1℃，而如果在電池的一側施加一個(gè)1.49W的加熱條件下電池內部最大的溫差就會(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中看到電池內部的溫差又變的非常小，從模擬結果來(lái)看，脈沖充放電能夠在鋰離子電池內部產(chǎn)生一個(gè)較為均勻的溫度場(chǎng)。
實(shí)驗中作者共測試了3個(gè)電池A和1個(gè)電池B，實(shí)驗安排如下表所示。
下圖為上表所示的實(shí)驗1中的電池在脈沖充放電過(guò)程中的熱功率曲線(xiàn)，熱功率曲線(xiàn)可以分為兩類(lèi)：1）產(chǎn)熱功率；2）散熱功率，從下圖能夠看到在開(kāi)始的非穩態(tài)時(shí)電池的溫度會(huì )緩慢的升高，隨著(zhù)電池極耳處溫度與母線(xiàn)散熱處溫差不斷增大，電池通過(guò)母線(xiàn)的散熱功率也在不斷增大，當產(chǎn)熱功率與散熱功率相等時(shí)電池就達到了一個(gè)穩態(tài)狀態(tài)。
下圖為電池正極和負極極耳的散熱功率的對比，從圖中能夠看到由于負極極耳為銅，因此熱量沿著(zhù)負極的散熱功率要比正極更快，從下圖b的正極極耳與負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極的70%左右。
由于在該實(shí)驗中鋰離子電池的熱量主要是通過(guò)正極極耳、負極極耳擴散出去，因此在計算鋰離子電池的散熱系數時(shí)作者也分別計算了負極散熱系數CCCneg，正極散熱系數CCCpos，以及電池總散熱系數CCCtot（如下式所示）。下圖為利用實(shí)驗1中穩態(tài)階段數據計算得到的三個(gè)散熱系數，從下圖我們能夠看到負極的散熱系數要顯著(zhù)高于正極。
下圖為電池A1在不同SoC和不同的電流下計算得到的正極、負極和電池的散熱系數，從下圖我們不難看出電池的SoC狀態(tài)和工作電流對于電池的散熱系數沒(méi)有影響，這表明無(wú)論電池處于何種工況，只要能夠達到熱平衡，我們就可以計算電池的散熱系數。
下圖為三種電池在不同實(shí)驗中正極、負極和電池的散熱系數，從圖中能夠看到對于同種電池，散熱系數是恒定的，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對比，可以看到對于兩種電池而言負極的散熱系數都要顯著(zhù)高于正極，而電池A由于采用了功率型的設計，因此散熱系數也要明顯高于電池B，其中A電池的負極散熱系數比B電池高65.13%，正極散熱系數高63.18%，電池整體散熱系數高62.70%。
作者最后列舉了一個(gè)散熱系數的應用舉例，作者假設使用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(mǎn)足4C連續放電，但是電池使用要求最高溫度不高于40℃，根據計算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計算，從計算結果來(lái)看，對于B電池而言溫差需要達到40.59℃，因此為了滿(mǎn)足電池最高溫度不超過(guò)40℃，也就意味著(zhù)散熱端溫度需要在-0.59℃以下，如此強的冷卻環(huán)境通常意味著(zhù)高昂的冷卻成本，因此在實(shí)際中并不具備可行性。但是我們再看電池A，由于其發(fā)熱功率較小，因此達到熱平衡時(shí)電池極耳與散熱端的溫差僅為14.97℃，這也就是因為即便是散熱端的溫度在25℃左右時(shí)，電池的溫度也滿(mǎn)足小于40℃的要求，因此不難看出在這一應用條件下，只有電池A才是滿(mǎn)足需求的。
長(cháng)期以來(lái)鋰離子電池的熱設計是一項比較復雜的工作，需要大量的實(shí)驗數據以及復雜的仿真模擬，而Alastair Hales通過(guò)提出熱擴散系數的方式極大的簡(jiǎn)化了電池的熱設計工作，同時(shí)又能很方便的對比不同電池之間的散熱能力，對于鋰離子電池的熱設計具有重要的參考價(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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