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pos機電池五根線
在鋰離子電池工作的過程中由于歐姆阻抗和極化等因素會導(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導(dǎo)致電流在電池內(nèi)部的分布不均，因而進一步造成電池內(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行了研究，并提出了散熱系數(shù)（CCC）的概念，對于特定的電池和散熱措施下，電池的散熱系數(shù)（CCC）是一個常數(shù)，因此可以根據(jù)該系數(shù)對不同電池的散熱效果進行比較。
鋰離子電池的熱量從來源上來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程中的產(chǎn)熱功率可以用下式來表達，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標(biāo)準(zhǔn)的散熱系數(shù)概念，在實驗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于散熱系數(shù)的影響。實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(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Li(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也同時起到了極耳散熱的作用，實驗中作者采用了15個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。
電池通過正負(fù)極的母線的散熱速率可以通過下式表達，其中ABB位母線的截面積，而ΔTBBneg位母線上的兩個測溫點之間的溫差，對于負(fù)極位9號和10號測溫點之間的溫差，對于正極則為11和12號測溫點之間的溫差
實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(xù)6個小時，保證電池在整個過程中都維持同一個SoC，這一過程的熱量主要來自于不可逆熱。
下圖為作者采用模型對下圖a所示結(jié)構(gòu)的鋰離子電池在脈沖充放電過程中的溫度變化進行了模擬，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1.49W的加熱條件下電池內(nèi)部最大的溫差就會增加到3℃（如下圖c所示），如果在電池的兩側(cè)同時施加一個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)果來看，脈沖充放電能夠在鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生一個較為均勻的溫度場。
實驗中作者共測試了3個電池A和1個電池B，實驗安排如下表所示。
下圖為上表所示的實驗1中的電池在脈沖充放電過程中的熱功率曲線，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始的非穩(wěn)態(tài)時電池的溫度會緩慢的升高，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電池就達到了一個穩(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。
由于在該實驗中鋰離子電池的熱量主要是通過正極極耳、負(fù)極極耳擴散出去，因此在計算鋰離子電池的散熱系數(shù)時作者也分別計算了負(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）。下圖為利用實驗1中穩(wěn)態(tài)階段數(shù)據(jù)計算得到的三個散熱系數(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)和工作電流對于電池的散熱系數(shù)沒有影響，這表明無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(shù)。
下圖為三種電池在不同實驗中正極、負(fù)極和電池的散熱系數(shù)，從圖中能夠看到對于同種電池，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)對比，可以看到對于兩種電池而言負(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，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)計算A電池工作過程中的發(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(jié)果來看，對于B電池而言溫差需要達到40.59℃，因此為了滿足電池最高溫度不超過40℃，也就意味著散熱端溫度需要在-0.59℃以下，如此強的冷卻環(huán)境通常意味著高昂的冷卻成本，因此在實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，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。
長期以來鋰離子電池的熱設(shè)計是一項比較復(fù)雜的工作，需要大量的實驗數(shù)據(jù)以及復(fù)雜的仿真模擬，而Alastair Hales通過提出熱擴散系數(shù)的方式極大的簡化了電池的熱設(shè)計工作，同時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(shè)計具有重要的參考價值。
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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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