锂离子电池热性能的研究

良好的热管理系统是锂离子电池安全及高效使用的保证,电池热管理需要确保电池在安全温度范围内且电池组内最大温差不超过5℃。文中运用UDF建立生热速率随放电时间变化的内热源模型,研究单体电池及电池组在不同工况条件下电池的热性能及小通道对锂电池热管理系统的冷却性能。电池侧以电池组的最高温度、最大温差以及不均匀度反映小通道对电池组热性能的影响。小通道侧运用努塞尔数反映小通道的对流传热特性。模拟结果显示,锂离子电池的放电速率越大,电池内部温度升的越快,电池所处的环境对电池热性能影响较大。同时,小通道中冷却流体的流速和种类对锂离子电池的最高温度、最大温差以及不均匀度影响显著。     

动力电池在充电过程中的膨胀力特性

锂离子电池在发生热失控前会出现明显的体积膨胀,因此研究动力电池膨胀力的变化规律对于提升电池性能及安全性预警具有重要意义.本文以三元/石墨体系电池作为研究对象,探究了其在不同温度、不同倍率下充电时膨胀力的变化规律.动力电池在25℃充电时的膨胀力增加幅值较小,这是因为较低的环境温度使得锂离子堆积在石墨层表面,电池厚度增加,...     

基于大平板热管的电池热管理实验及仿真

热特性是影响锂离子电池性能的主要因素之一,当电池以较高倍率进行充放电时,热量聚集使温度迅速上升,影响电池性能,甚至会产生燃烧或爆炸.本工作搭建了一种基于大平板热管的高效高均温性电池散热模型.电池组置于大平板热管上,底部辅以风冷散热,在不同工况下对电池表面平均温度及最大温差进行数值计算,并通过实验验证了热管理模型准确性.结果表明,当环境温度为20℃、冷却风速为5 m/s、以1 C放电至截止电压时,电池组平均温度为38℃,最大温差为1.9℃;在大平板热管散热端适量布置翅片可增大换热面积,提高换热效率.     

基于电化学热耦合模型的富镍锂离子电池产热分析

锂离子电池在工作过程中产生的热效应会影响其温度和电化学性能,并极大地影响电池的安全性和使用寿命.分析电池在放电过程的热特性变化规律及产热机制,评估电池内部不同性质的产热对温度变化的相互作用,对于电池热管理系统的设计起到至关重要的作用.因此,本工作以富镍三元锂离子电池为研究对象,建立了基于动态参数响应的电化学热耦合模型,在0℃和40℃环境温度下分别进行了 0.3 C、1C放电与温升实验验证,验证结果表明耦合模型具有较好的精确性和可靠性,能够准确地分析电池热特性.基于验证后的模型,研究了富镍锂离子电池在不同放电倍率、环境温度、换热环境下的温升特性,并进一步分析了电池内部生热机理及发热特性.结果表明:放电倍率的增大使得电池的总产热量迅速增大,同时加剧了电池内部的温度不均匀性,正负极熵热系数较大的差异性使得正极区域产热较大而负极产热较为平缓.研究结果能够为锂离子电池的热性能评估和电池组的热管理系统设计提供一定的指导意义.     

基于电化学热耦合模型的电池热管理研究

动力锂电池在快速充放电过程中,会产生大量的热量,具有热积聚热失控的风险,要对电池进行热管理。本文首先建立了电池电化学热耦合模型,对电池的温升特性进行研究,然后设计了基于复合相变材料（CPCM）的电池热管理系统,对电池在高倍率放电过程中进行控温管理,最后,比较了不同电池间距情况下,电池热管理系统对电池温度和温差的控制效果。数值仿真结果表明,单电池在3 C倍率放电过程中,电池最高温度为58.9℃,而当采用复合相变材料对电池冷却时,即使在35℃的环境温度下,也可以有效把电池最高温度控制在46.1℃,温差控制在3.6℃,从而能确保电池在适宜工作温度内安全运行,延长电池组的使用寿命和提高电池安全性能。更重要的是,通过对复合相变材料的固相率进行分析表明,固相率不为0时,可以有效控制电池温度和温差,而当热管理系统中的复合相变材料固相率为0时,电池组温度和温差均快速升高,因此通过对复合相变材料固相率指数进行分析,有助于复合相变材料的应用及热管理系统的优化。     

The review of thermal management technology for large-scale lithium-ion battery energy storage system

大容量锂离子电池储能系统对完善传统电网和高效利用新能源都具有非常重要的作用。为了实现大容量锂离子电池储能系统的高倍率化、长寿命化以及高安全性,高性能电池热管理系统的研发刻不容缓。本文总结了温度对锂离子电池性能的影响规律,综述了空冷、液冷、热管冷却、相变冷却这4种典型热管理技术的研究概况,分析了热管理技术在锂离子电池储能系统中的应用与研究状况。随着锂离子电池储能系统工作倍率的提高,产热量随之增大,对热管理系统的要求也越来越高。下一步的研究工作应围绕空冷系统优化、基于新型冷却介质的液冷系统、经济型热管及多目标优化设计这4方面展开。     

基于正弦函数的液冷板上流体流向对锂离子电池散热性能的影响北大核心CSCD

锂离子电池的散热性能与液冷板上流道的形状、液流流向、液流入口温度、液流入口流速和放电倍率等有关。本工作以电池最高温度、温差、温度标准差及压降为评价指标,设计了一种正弦函数液冷板流道,运用COMSOL有限元软件分析正弦流道频率与振幅对锂离子电池散热性能的影响并探讨不同放电倍率、不同入口温度和不同入口流速条件下流体流向对锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性的影响。结果表明:低频率和低振幅的正弦函数流道有利于电池的散热;改变流体流向有利于改善锂离子电池的最高温度、温度均匀性和温度一致性;随着交错流次数的增加,锂离子电池的最高温度和温差均减小;高放电倍率下流体流向对锂离子电池散热性能的影响更大;液流入口温度为25℃时,改变流体流向锂离子电池的散热效果最佳。     

过充、过热及其共同作用下车用三元锂离子电池热失控特性北大核心CSCD

锂离子电池作为目前电动汽车的主要能源电池,其在外界滥用条件下的热失控问题受到广泛关注,研究不同滥用下尤其是多种滥用共同作用下的电池热失控特性可有效提高电池使用安全性。本工作以车用50 Ah方型动力三元锂离子电池单体作为研究对象,利用大功率充放电循环仪和电加热装置,进行了1 C倍率过充、150 W局部过热及其共同作用下的电池热失控实验。对不同工况下热失控实验现象、质量损失、温度变化、升温速率变化、升温部位和电压变化等实验结果进行对比分析,结果表明:过充过热共同作用下电池热失控具有更大危险性,电池热失控时间比单一滥用减少约35%,热失控时电池SOC比过充减小约35%,电池电压会出现“持续上升—突降至零”现象。本研究可为车用三元锂离子电池热管理系统安全设计提供参考。     

基于锂离子电池热失控模型的电热耦合滥用条件分析

由锂离子电池热失控引发的各类安全问题是目前电动汽车和大规模储能电站继续推广的一大瓶颈.电、热滥用是引发电池热失控的关键原因,研究锂离子电池的热失控现象对保证锂离子电池安全运行意义重大.基于锂离子电池热失控模型,系统研究了充电倍率、环境温度和散热条件等因素对锂离子电池热失控过程中电、热响应特性的影响.结果表明,相较于常温下的过充热失控过程,在过充-过热耦合作用下,电池热失控SOC会有所降低,当处于极端高温环境时,热失控在电池未充满阶段即可发生.在过热及低表面换热环境下,充电倍率对电池热失控SOC影响不大;在过热及自然对流环境下,随着充电倍率增加,电池热失控SOC提高,热失控时间提前.本研究为可靠的电池安全预警技术开发提供了支持.     

使用工况对锂离子电池电化学性能的影响

[目的]锂离子电池储能技术在近年来得到快速发展和广泛应用,但在实际应用中发现具体使用工况对锂离子电池储能的实际使用寿命和盈利能力有着巨大影响,文章旨在研究使用工况对于锂离子电池电化学性能的影响,为今后的锂离子电池储能项目建设提供参考。[方法]测试并分析工作荷电区间、放电倍率、工作温度对锂离子电池实际工作性能的影响。[结果]充放电荷电区间、使用倍率、工作温度都会对锂离子电池的实际工作性能产生巨大影响。一方面,适当调节充放电荷电区间会明显提高电池的使用寿命;另一方面,目前调频储能项目常用的2 C配置方式会明显降低锂离子电池的使用寿命,而将倍率降低至1 C配置虽然会增加初始投资,但有望获得更低的周期度电成本。此外,温度控制对锂离子电池的使用寿命也极为重要,即使是个位数的温度差异也有可能造成长期使用后显著的电池不一致性。[结论]锂离子电池储能具有响应速度快、调节精度高、配置灵活等优点,随着“碳达峰、碳中和”工作的深入和电力市场的逐步建设,锂离子电池储能将会在提高电能质量方面发挥重要作用。注重使用工况对于锂离子电池性能的影响将会进一步提高锂离子电池储能的使用效能。要根据实际应用需求实际设计电池的...     

NCR18650A电池的充放电温度特性与管理

采用实验测试与数值仿真的方法对NCR18650A三元锂电池组在1 ~ 3 C放电和1.6 C充电过程的温升特性进行测试,同时验证所建立电池产热模型的准确性。结果显示,实验测试结果与电池产热模型仿真结果之间的相对误差在合理范围内,满足工程应用需求。电池组在自然冷却的情况下,仅在1 C放电状态下符合其最佳工作区间42.5 ~ 45.0℃的要求,3 C放电倍率下最高温度为89.4℃。提出并建立基于热电致冷主动热管理模型,将热电致冷组件设置在电池组上方,致冷功率为50 W时可有效控制电池组3 C放电过程的温度,在最佳工作区间实现电池单体温差小于5℃,抑制电池组的热失效并实现良好的均温性。     

低温下电池系统台架试验液冷控制方法的优化研究

随着电动汽车快速发展,对动力电池性能的要求日益严苛,电池热管理技术的升级优化变得十分迫切。由于国内缺乏电池系统试验水冷控制策略规范,台架试验与整车试验中的电池系统性能表现差异较大,导致试验结果严重脱节,系统级试验失去了原有的测试验证意义。本文对液冷台架试验方法的实际应用开展研究,通过功率、冷却液比热容、进出水口温差、流量等因素的关联计算,优化了电池系统台架液冷控制方法,使台架试验能够更好地模拟实际整车水冷情况。通过对电池系统进行 -20℃低温快充、-10℃低温快充和 -20℃低温慢充三项试验,验证了该电池系统台架液冷控制方法在低温下的改善效果。相较于传统台架液冷试验方法,采用该液冷控制方法能够使电池系统的温度及电性能更符合实际整车变化,保证了电池系统在系统级试验阶段与整车级试验结果保持一致,实现了电池系统在台架液冷试验的真实性能考核。     

汽车空调制冷剂直冷动力电池热管理系统的PID控制研究

电池热管理对电动汽车的安全和寿命至关重要。本文采用铝翅片铜管作为基础结构,设计一种结构紧凑、轻量型的18650型锂离子电池模组,采用基于PID原理的算法作为电动汽车空调系统电子膨胀阀的控制方案,实验研究R134a制冷剂直接气液两相流冷却电池模组的换热性能。结果表明：所提出的电池热管理系统能够快速响应温度的变化,并降低电池模组的温度。此外,当控制方案为动态温度PID算法时,电池模组以1 C倍率放电过程中电池之间的最大温差小于4℃,并且电池模组的最高温度低于36℃。     

增设通风孔的风冷式锂离子电池热管理系统数值研究

电池热管理系统的优化设计可以维持动力电池的高效性能,进而促进电动汽车产业的发展。本文采用CFD方法研究有通风孔的情况下,风冷式锂离子电池组在放电过程中的散热性能。研究结果发现,在电池组外壳增设通风孔可以明显提高整个电池组的冷却效果。风孔开设在主出风口的相反方向时,电池组的温升和温差最小。当风孔的面积与出口面积相等时,电池组的冷却效果最佳;继续增大风孔对电池组的冷却效果影响较小。最后探讨了空气进口温度和电池间冷却通道的变化对电池组散热效果的影响。采用在电池组外壳上开设多个通风孔的办法有助于电池热管理系统的冷却优化设计。     

Numerical investigation on integrated thermal management for lithiumion battery pack with phase change material and liquid cooling

为满足3 C放电倍率下电池组散热要求,提出了PCM\液冷复合式散热方案,利用有限元分析了液体流速、流道排列方式、铝制框架鳍宽和环境温度对电池组温度的影响。结果表明,增加流速可优化电池组散热性能,但当流速大于0.08 m/s时,流速的增加对散热系统无明显优化;各流速下Type I散热方式效果均为最优且电池组满足散热要求;鳍宽为2 mm时可将电池组最高温度进一步降低1.6℃;当环境温度从38℃增至42℃时,复合式散热系统体现了良好的热稳定性能。     

Effects of reciprocating liquid flow battery thermal management system on thermal characteristics and uniformity of large lithium-ion battery pack

To investigate the thermal characteristics and uniformity of a lithium-ion battery (LIB) pack, a second-order Thevenin circuit model of single LIB was modeled and validated experimentally. A battery thermal management system (BTMS) with reciprocating liquid flow was established based on the validated equivalent circuit model. The effects of the reciprocation period, battery module coolant flow rate and ambient temperature on the temperature and the temperature imbalance of batteries were studied. The results illustrate that the temperature difference can be effectively reduced by 3°C when the reciprocating period is 590 seconds. The reciprocating coolant flow rate is 11.5% and 33.3% that of the unidirectional flow BTMS for cooling and heating when same thermal effects are to be achieved. Under the same ambient temperature condition, the maximum temperature and average temperature difference can be reduced by 1.67°C and 3.77°C, respectively, at best for the battery module investigated with a reciprocating liquid-flow cooling system. The average temperature difference and heating power consumption could be reduced by 1.2°C and 14 kJ for reciprocating liquid flow heating system with period of 295 seconds when compared with unidirectional flow. As a result, the thermal characteristics and temperature uniformity can be effectively improved, and the parasitic power consumption can be significantly reduced through adoption of a reciprocating liquid flow BTMS.     

循环充放电条件下锂离子电池的温度模拟

锂离子电池在充放电过程中产生的热量主要为两部分,即因电化学反应而产生的可逆热和由极化产生的不可逆热。若电池内部温度达到82℃以上时,钴酸锂电池材料将发生热分解,引发一系列不可控化学反应,释放出大量的反应热。本论文在可逆热和不可逆热的基础上,耦合电池材料分解热,采用有限元技术,模拟锂离子电池在充放电过程中不同对流条件以及不同外界温度下电池内部温度的变化,为揭示锂离子电池热失控机制提供理论依据。     

Thermal analysis of high‐power lithium‐ion battery packs using flow network approach

High‐power applications of lithium‐ion batteries require efficient thermal management systems. In this work, a lumped capacitance heat transfer model is developed in conjunction with a flow network approach to study performance of a commercial‐size lithium‐ion battery pack, under various design and operating conditions of a thermal management system. In order to assess the battery thermal management system, capabilities of air, silicone oil, and water are examined as three potential coolant fluids. Different flow configurations are considered, and temperature dispersions, cell‐averaged voltage distributions, and parasitic losses due to the fan/pump power demand are calculated. It is found that application of a coolant with an appropriate viscosity and heat capacity, such as water, in conjunction with a flow configuration with more than one inlet will result in uniform temperature and voltage distributions in the battery pack while keeping the power requirement at low, acceptable levels. Simulation results are presented and compared with literature for model validation and to show the superior capability of the proposed battery pack design methodology. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Lithium battery thermal management system for hybrid vehicles

为研究动力电池组的温度特性以及维持其工作在最佳的温度范围内,以锂离子电池为研究对象,设计了一种新型混合动力汽车的电池热管理系统,利用空调系统和发动机排气系统来调控电池组的温度。建立了锂电池组的三维瞬态产热数值模型,以电池组的三维尺寸和进风口流速为输入参数,以降低电池组的最大温升和提高电池组的温度均匀性为输出参数,利用FLUENT仿真软件和DesignXplorer模块进行联合优化设计了电池组的结构。优化后的电池组的温升比优化前降低了5.39 K,电池组温差降低了6.41 K。分析了恒倍率放电以及对流换热系数对单体电池温升的影响,研究表明：放电倍率越大电池温升越快,放电结束后电池的温度越高,在对流换热系数小于30 W/（m²·K）时,散热效果明显。对电池组在不同条件下加热或者冷却进行了仿真分析,验证了该电池热管理系统的可行性。     

新能源汽车动力电池冷却系统热仿真及优化

动力电池的温度控制是新能源汽车发展中的一个难题,而电池冷却系统在动力电池的温度控制过程中起着相当重要的作用。利用Solidworks软件对电池包进行建模,利用ICEM CFD软件对电池包模型进行网格划分等前处理。利用Fluent软件并采用控制变量法分别对冷却管道截面宽度、冷却液质量流量和冷却液进口温度等3个对电池包散热性能影响较大的参数进行仿真计算和对比分析。根据仿真结果选择可优化电池包散热性能的参数,并在原方案基础上提出了一种新的冷却管道分布方案。经过仿真计算发现,该方案可有效降低电池在使用过程中的最高温度和温差,提高了电池冷却系统的散热性能。