锂离子电池热模型的研究动态

锂离子电池具有高能量密度、高功率密度、高循环次数及高电压等特点,在新能源产业占据越来越重要的地位。锂离子电池的循环效率、容量、功率、安全性、可靠性和寿命等诸多性能与温度密切相关。热模型可以模拟电池在应用条件下的热行为,研究电池产热、传热、散热的规律,实时计算电池内部和表面的温度变化以及温度场信息,为电池和电池组热管理系统设计与优化提供依据。首先介绍了锂离子电池热模型的类型及产热来源,然后阐述了锂离子电池电化学-热耦合模型、热滥用模型和电-热耦合模型的研究进展,最后根据当前锂离子电池热模型存在的问题对其今后的发展方向进行展望。     

基于密胺吸附型相变材料的散热性能优化研究

锂离子电池具有循环寿命长、安全性能好、自放电量小等优点,被广泛应用于电动汽车及储能等领域.然而,由于电池组间的散热和温度不一致,热失控事故时有发生.通过制备密胺吸附型复合相变材料并将其应用在电池模组中进行热管理,结合SolidWorks和Comsol软件,分析了不同厚度、不同导热系数下相变材料对单体电池和电池模组温度分布规律的影响;并建立了密胺吸附型相变材料的电池散热模型,采用实验与模拟相结合的方法优化其散热性能.研究结果表明,当锂电池以5 C放电时,相变材料层的厚度应大于2.5 mm,电池模组的温度可控制在43℃以内;当相变材料的导热系数提高到2.5 W/(m·K)时,电池模组最大温差减小到1.2℃.综上可知,本研究所开发的密胺吸附型复合相变材料作为被动热管理技术展现出良好的控温效果,在电动汽车及储能领域具有重要的应用价值.     

基于风冷散热的锂电池热管理数值模拟研究

圆柱形锂离子电池布置方式和热物性参数对电池的热特性及安全性具有重要影响.首先建立了18650型LiFePO4单体电池产热模型以及电池组散热模型,分析了排布方式、电池间距等电池模块几何参数以及径向导热系数等热物性参数对电池模块散热特性的影响.结果表明,电池的间距越大,其平均温度越低,温差越小,散热效果越好;单就冷却效果而言,叉排排布结构最优,综合考虑电池模块的能量密度和冷却效果,六边形排布结构最优;径向导热系数由0.2174 W/(m·K)增加到1.7174 W/(m·K)时,电池最高温度由306.15 K降低到302.90 K,减小了3.25 K,电池模块温度分布更加均匀.研究为基于风冷的锂离子电池组热管理系统结构的设计和优化提供了重要参考.     

锂离子电池电-热联合仿真平台构建

锂离子电池在充放电过程中各个参数量都会随温度的变化而变化,实时评估锂离子电池的电热特性对电动汽车维护和电网储能运行至关重要。针对实际运行中锂离子电池参数测量不准确、电热传递特性不易获取、操作不便等问题,构建锂离子电池电气模型和热模型,并基于等效电路模型和集中热参数模型,综合考虑电池电-热耦合特性,构建了锂离子电池电-热联合仿真平台。基于仿真平台,通过恒流—恒压—新欧洲驾驶周期(New European Driving Cycle,NEDC)实际工况充放电试验,得到电池温度变化曲线,并通过分析温度与电流、端电压和产热散热特性曲线的对应关系,验证了联合仿真平台的有效性。该联合仿真平台可为锂离子电池电-热耦合特性的理论分析以及电池管理系统的设计优化提供依据。     

液冷储能电池冷却系统的研究∗

当前储能电池的冷却以风冷散热为主,但风冷散热存在电池组散热效率低、系统噪声大、产品环境适应性 差等问题,给储能系统的推广应用带来了挑战.液冷系统具有换热系数高、比热容大、冷却速度快等优点,可将储能 电池组温升控制在更小范围内,有助于延长电池组的循环寿命.因此,更高效的储能液冷冷却系统成了工程技术人员 争相研究的新课题.通过研究锂离子电池的温度特性、冷却系统原理、不同冷却设备的特点等,提出了一种液冷储能 电池冷却系统方案,为储能电池的液冷冷却提供借鉴.     

集装箱式储能系统热管理设计

合理的热管理是集装箱式电池储能系统长期高效、安全、稳定运行的关键.以国内某大型储能示范工程用集装箱式锂离子电池储能系统为研究对象,阐述了热管理系统风道、空调及风扇设计,测试了储能系统不同倍率运行时的电池温度变化.热管理系统可以保证储能系统以0.5 C运行时,电池工作环境维持在最佳温度范围;在1C下运行时,电池最高温度不超过40℃,储能系统最大温差小于8℃.     

基于锂离子电池储能系统的消防安全技术研究

随着大型锂离子电池组在电网中应用的增多,基于锂离子电池储能系统的消防安全愈发重要。提出根据锂离子电池热失控实验,观察到少量可燃气体的泄漏现象,通过对泄漏气体成分的分析,可以将CO含量和系统温度作为系统预警的主要依据,并建立锂离子电池的热失控防护机制。在储能系统中加入了锂离子电池热失控预警判断,并且联合多级防护机制以及安全联动技术,设计了基于锂离子电池储能系统的消防安全系统整体框架,并对消防安全系统中的部件、通信、人员安全这3个方面进行了阐述。该系统可以准确监控锂离子电池热失控状态,同时可快速联动消防安全装置,显著提高电池储能系统运行时的安全性和稳定性。     

储能用锂离子电池管理系统研究

锂离子电池因其性能优异在高电压大容量的储能系统得到了广泛的应用。锂离子电池管理系统是延长电池循环寿命,维护电池安全运行的关键。针对储能用锂离子电池的特性,该文讨论了储能用锂离子电池管理系统的结构,重点介绍了电池管理系统的主要功能,特别是单体电池数据采集功能、电池状态估计功能和均衡管理功能,并分析了状态估计和均衡管理方法的优缺点,对其实现策略进行了评价。     

锂离子动力电池模块设计及散热特性

锂离子动力电池模块大电流放电引起电池过热及各电池单体散热的不均性这一缺点严重影响了锂离子电池的使用性能、服役寿命及安全性。针对上述问题,设计了一种"管壳式"电池模块,采用计算流体力学软件Fluent模拟了该电池模块中的温度场,分析了其散热效果。结果表明:通过电池模块中的铝管和折流板的联合散热作用,可提高电池模块的散热效率和温度均匀性;环境温度为27℃、空气流速为1 m/s时,3 C放电,该电池模块的最高温度为50℃,最高温度和最低温度之差为5.1℃。     

车用锂离子电池主动空冷技术研究进展

电动汽车的快速发展，要求储能设备具有更高的性能输出和更好的安全性。能量密度高、输出功率高和循环使用寿命较长的锂离子电池成为储能设备的首选。温度对锂离子电池的安全和性能发挥有着很大的影响，电池热管理系统(BTMS)需要将电池工作温度始终保持在预期范围内。主要介绍了主动空气冷却BTMS的研究进展，通过最大温度、温度均匀性和压降评估这些不同BTMS的性能，为设计和开发具有质量轻、复杂度低、寄生功率低的高性能空冷BTMS和混合BTMS提供方向。     

车用锂离子电池热失控研究综述

随着电动汽车的快速发展,锂离子电池得到了广泛应用,而锂离子电池的安全问题是电动汽车发展的基础.文中针对锂离子电池热失控的研究展开了全面综述.首先概述了电池在不同原因下引发的热失控,其中电池内部短路以及电池过充电是引发热失控的主要原因.同时重点总结了电池的整个热失控过程,包括单体电池的热失控机理以及热失控在电池组内的扩散.在此基础上从三个方面分别总结了提高锂离子电池安全性的方式,包括改善电池材料的温度特性、完善电池组散热系统的散热能力以及优化电池安全在线检测诊断与预警功能.最后总结了现有电池安全性研究的不足和未来研究方向,旨在对未来的电池安全研究提供参考.     

储能用锂离子电池组热管理结构设计

利用风扇强制对流换热,对储能用锂离子电池组进行热管理结构设计和性能研究。通过利用软件STAR-CCM+的包面、多面体网格生成及其求解等功能,对热管理结构设计进行数值模拟,分析了电池散热结构的温度场和流场分布情况,结果表明:电池箱具有良好的温度一致性,系统冷却效果良好。     

导热界面材料与强制风冷在储能模组内的应用

为探索导热界面材料与强制风冷冷却在锂离子储能电池模组中的应用模式,分析了导热界面材质的特性以及工程应用模式,并通过对比实验验证得到测试结果。研究结果表明：在某些中高倍率应用场景下,可以使用导热界面材料和强制风冷冷却双管齐下的散热方式;利用导热界面材质良好的填充效应可以提升锂离子电池模组的散热能力,可为储能电池模组热管理系统设计提供理论依据。     

锂离子电池储能安全管理中的机器学习方法综述

随着当前电化学储能技术的广泛应用,电池储能电站的安全运维问题日渐突出。传统电池管理系统仅能获得各电池单体的电压、电流及温度,并且受限于硬件处理能力、数据传输带宽及延迟等条件,掌握海量电池单体储能系统的健康与安全运行状态成为关键技术难题。机器学习方法在锂离子电池运行状态预测领域的应用为储能电池系统安全管理创造了条件。针对锂离子电池安全管理需求,首先对锂离子电池滥用及热失控风险机理的相关研究进行了介绍。随后,讨论了锂离子电池管理系统架构及其应用特点,并详细论述了机器学习方法在锂离子电池健康与安全状态分析方面的应用。最后,对储能电站锂离子电池的安全管理进行了展望。     

锂离子动力电池热管理系统的关键技术

针对不同的电动汽车研究和开发高效的动力电池热管理系统,将锂离子电池的工作温度保持在合适的范围内,对于电动汽车的安全可靠行驶有着非常重要的意义。本文分析和总结了锂离子电池的产热本质,温度对其性能、可靠性和安全性的影响,以及动力电池热管理系统中常用的冷却和加热的方式,最后重点分析了CAE技术在开发和设计锂离子动力电池热管理系统过程中的应用。CAE技术的应用可为动力电池热管理系统的设计和优化提供了可靠的分析方法和理论支撑,整体上提升了锂离子动力电池系统的开发效率和安全等级。     

退役锂离子动力电池储能系统风冷热管理仿真

为研究退役动力电池储能再利用过程的热管理方法和运行方案,基于退役锂离子动力电池储能系统,设计了风冷热管理的方案和运行策略。建立了舱内退役电池簇的数学物理模型。仿真了不同风量下磷酸铁锂(LFP)电池簇和三元镍钴锰(NCM)电池簇的温度分布,对比分析了有无风冷热管理时电池簇的热行为。结果表明:风冷热管理能满足适宜退役动力电池正常工作时的温度范围;对于磷酸铁锂电池簇和镍钴锰电池簇,增加风冷系统后,簇内电池最大温差可由无风冷时的10 K降低至4 K左右,电池的最大温升由30 K降低至10 K左右。该研究可为退役动力电池储能系统的高效热管理提供借鉴。     

锂离子储能电池放电热行为仿真与实验研究

研究了单体锂离子储能电池三维电化学-热耦合模型建模技术,开展了不同放电条件下的电池温升曲线数值仿真和实验测试。实验测定电池各主要组成材料的导热系数、比热等热物性参数,锂电池电芯叠层简化为导热系数各向异性整体结构,建立包含电芯、外壳、正负极柱等主要部件的单体电池三维几何模型;Bernardi模型描述锂离子单体电池生热率,考虑锂电池内阻随荷电状态变化,生热率作为源项加入计算模型,瞬态分析方法得到了放电历程中锂电池温度场分布,并开展了温升曲线实验测试。研究结果表明:锂电池温升呈现非线性特征,在放电末期温升加速明显;外壳材料对锂电池散热具有一定程度的影响;建立的热模型能够较准确地描述锂离子单体电池放电过程热行为。     

计及动态非均匀热特性的储能软包锂电池充放电热路模型

当前锂离子电池热行为解析模型与仿真模型在储能应用中面临效率或精度挑战。提出一种计及动态非均匀热特性的软包锂电池热分析方法，为储能系统提供电池状态在线评估工具。首先，构建热路模型和解析偏微分方程组，以捕捉充放电过程中电池动态非均匀热特性。其次，建立迭代机制确定求解参数，发展一种兼顾精度和效率的求解算法。将热解析模型和算法应用于商用储能锂电池温度评估。多种充放电工况下的实验结果表明，所提方法具有毫秒级计算成本和小于3%的温度误差，参数标定、迭代机制增强了该方法的工程适用性。该方法对储能电池管理系统展现出良好的应用潜力。     

基于电化学阻抗谱的锂离子电池内部温度监测方法综述

温度是锂离子电池状态监测的关键监测量，在电池的寿命预测、热失控预警和热管理决策等方面有着十分重要的作用。为此，从锂离子电池的内部温度监测(internal temperature monitoring, ITM)方法、温敏电参数和基于电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy, EIS)的在线ITM方法3个方面对相关研究进行整理和分析。首先，介绍3种锂离子电池ITM方法，即温度传感器、电池热模型和EIS;然后，总结现有EIS温敏电参数的5种基本特性，并从7个维度对基于EIS的在线ITM方法进行分析。最后，综合现有研究，指出基于EIS的在线ITM方法面临的挑战和未来发展趋势。     

基于等效能折算的储能电站广义成本研究

储能技术是应对高比例新能源电力系统安全问题的关键技术之一。现阶段,成本因素制约了储能规模化商业应用。为此,针对不同类型储能电站广义成本问题,考虑不同类型储能效率、寿命的差异,以等效能折算为前提,分析储能全寿命周期进程中建设与运行特性的差异,构建基于等效能折算的储能全寿命周期成本模型与平准化电力成本模型;比较分析近年来投运/规划的抽水蓄能、锂离子电池储能、铅炭电池储能、全钒液流电池储能项目建设周期、征地成本等参量;对4种类型储能广义成本进行纵向、横向评估,讨论储能电站年充放电循环次数、充电电价、投资成本的变化对广义成本的影响。研究结果可为储能系统的选型规划提供参考。