點(diǎn)擊藍(lán)字丨關(guān)注我們 隨著儲(chǔ)能設(shè)備和新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，具有高能量密度和高輸出功率特點(diǎn)的三元 鋰 離子電池成 為了電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn) 。然而單體電池不能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程和動(dòng)力的要求，所以 必須使用電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量和高輸出的目標(biāo) 。電池
隨著儲(chǔ)能設(shè)備和新能源汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，具有高能量密度和高輸出功率特點(diǎn)的三元 鋰 離子電池成 為了電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的關(guān)注重點(diǎn) 。然而單體電池不能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程和動(dòng)力的要求，所以 必須使用電池組來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量和高輸出的目標(biāo) 。電池組是由電池模塊串并聯(lián)而成，而電池模塊則是 由單體電池串并聯(lián)而成。單體電池之間存在內(nèi)阻，容量，極化不一致的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充過(guò)放，使得電池組容量衰減并且降低使用效率 。除此之外，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池之間的不一致性會(huì) 進(jìn)一步增加，最終導(dǎo)致電池壽命大幅度降低，甚至引發(fā)安全事故。
為了保證電池組長(zhǎng)期高效的工作，必須研究電池之間不一致性產(chǎn)生的原因。除去生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)所 帶來(lái)的不可避免的因素外，電池組的溫度場(chǎng)對(duì)電池一致性也有很大的影響，而電池的串并聯(lián)方式是影響溫度場(chǎng)的不可忽略的因素 。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制和電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狹小復(fù)雜，難以通過(guò)實(shí)驗(yàn) 詳細(xì)描述電池組的熱量和溫度場(chǎng)分布，因此必須通過(guò)多物理場(chǎng)的仿真來(lái)研究電池組的內(nèi)部特征。 T.M.Bandhauer等人發(fā)現(xiàn)在電池組充放電時(shí)，電池間的不一致性與其內(nèi)部存在的溫度梯度有關(guān)聯(lián)，得出 電池模塊的溫度分布與一致性是相互影響的結(jié)論。 N.Yang等人將兩塊溫度不同的電池并聯(lián)，通過(guò) 實(shí)驗(yàn)和模擬發(fā)現(xiàn)，溫差會(huì)放大電池放電電流和放電容量的偏差。 Wang等人基于電化學(xué)一熱 耦合 模型 將串聯(lián)電池與并聯(lián)電池進(jìn)行放電對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在并聯(lián)的情況下電池組的最大溫升和溫差更低，但釋放的能量卻比串聯(lián)要多。不難看出，合理的成組能夠降低電池模塊對(duì)單體電池參數(shù)一致的依賴(lài)，但是上述文獻(xiàn)沒(méi)有考慮混聯(lián)情況下的結(jié)果，這方面還需要進(jìn)一步的研究。因此基于電化學(xué)一熱耦合模型，分析電池串并聯(lián)而成的不同電路在恒流放電下的熱行為和電化學(xué)行為，以期得到最佳的拓?fù)淠K，使得電池組能夠在一定的使用周期內(nèi)既能降低溫升，又能夠保持較好的一致性和均溫性，為電池分選成組和熱管理提供參考。以51Ah層疊式 鋰 離子軟包電池為研究對(duì)象，該電池由53個(gè)電極對(duì)疊加而成，每個(gè)電極對(duì)都由 正集流體 (Al)，正極(LiNili1/3Co1/3Mn1/3O2)隔膜(PP/PE/PP)，負(fù)極(Li X C 6 )，負(fù)集流體(Cu)組成。該電池 的部分參數(shù)如表 1所示。電池模塊是由8個(gè)軟包電池以圖1的方式疊加而成，由于模型的對(duì)稱(chēng)性，可以將模型簡(jiǎn)化成A,B,C,D四類(lèi)電池從而減少計(jì)算量。因?yàn)閱误w電池之間的間隙存在泡棉，所以不考慮其中流體的流 動(dòng)。與此同時(shí)，電池模塊外圍則是處于自然對(duì)流的狀態(tài)。
通過(guò) 耦合 質(zhì)量，能量，電荷守恒和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)，將各個(gè)單體電池的產(chǎn)熱導(dǎo)入電池模塊熱模型中 求得平均溫度，而平均溫度再反饋到單體電池計(jì)算下一時(shí)刻的單體電池電化學(xué)模型的產(chǎn)熱，以此往復(fù)，建立起電池模塊的電化學(xué)一熱耦合模型。該模型的控制方程和邊界條件如表 2所示。 其中:1是固相;2是液相;eff指有效值;n是負(fù)極;P是正極;s是隔膜;t是時(shí)間;:是活性 顆粒的徑向距離變量 ; c 是濃度; φ 是電勢(shì);D是擴(kuò)散系數(shù); f ± 是離子遷移數(shù);J loc 是局部電流密 度 ;S a 是比表面積;R是通用氣體常數(shù);F是法拉第常數(shù); αa 和 α c 。分別為陽(yáng)極和陰極電極反應(yīng)的轉(zhuǎn) 移系數(shù) ; η 是過(guò)電勢(shì); i 0 是交換電流密度;U是開(kāi)路電壓;C 1 ，max 是銼離子最大濃度;C 1,su rf 是顆粒表 面的鋰離子濃度 ;Q rea 是電化學(xué)反應(yīng)熱;Q act 和 Q ohm 分別是極化熱和歐姆熱;Δ 是嫡變;h是對(duì)流換 熱系數(shù) ;T amb 是環(huán)境溫度。
1.2電池系統(tǒng)拓?fù)漕?lèi)型設(shè)置為了方便對(duì)比，主要研究O.5C和1C兩種放電倍率中不同的拓?fù)淠K對(duì)電池一致性和溫度場(chǎng)的影 響。模塊中的 8個(gè)電池參數(shù)都設(shè)置成相同值，電路總電流大小設(shè)為并聯(lián)電路的個(gè)數(shù)與電池對(duì)應(yīng)放電倍 率電流的乘積，這樣能保證初始時(shí)刻每個(gè)單體電池放電電流大小皆為對(duì)應(yīng)倍率電流。每個(gè)模塊的拓?fù)淙鐖D 2所示。圖2(a) ， 2(b)分別為串聯(lián)電路和并聯(lián)電路，其余都為混聯(lián)電路。通過(guò)比較圖2(a) ， (d) ， (f) ， (b)和圖2(b) ， (e) ， (c) ， (a)，可以研究先串后并或者先并后串的拓?fù)淠K隨著串并聯(lián)數(shù)量的變化 對(duì)于電池放電時(shí)一致性的影響。不管是串聯(lián)，并聯(lián)還是混聯(lián)模塊都滿(mǎn)足基爾霍夫定律，即所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有 離開(kāi)這節(jié)點(diǎn)的電流的總和，如式 (1)所示，其中i k 為是第k個(gè)進(jìn)入或離開(kāi)這節(jié)點(diǎn)的電流。電池模塊的溫度特征值包括兩個(gè)部分:平均 溫升T ave 。和最大溫差 Δ T。這兩個(gè)值不僅直接關(guān)系到 電池模塊的安全性，而且對(duì)電池不一致性也有所影響。它們的值越小，電池工作工程中的安全性就越好。電池的不一致性可以從容量，電壓，內(nèi)阻等方面進(jìn)行研究。為了方便比較，提出了基于歸一化 處理后的相對(duì)電流和相對(duì)電壓的標(biāo)準(zhǔn)差之和P作為電池的不一致性系數(shù) :1.4驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將電池置于溫度為25士2℃的高低溫防爆箱中，并將正負(fù)極耳連接至5V/300A恒翼能動(dòng)力電池測(cè) 試系統(tǒng)。將 T型熱電偶貼在電池表面，利用多路溫度記錄儀測(cè)量電池表面溫度。圖3為電池的熱電偶 布置示意圖。用 0.33C(16.8A)的恒流充電至電壓達(dá)到4.25V，然后用4.25V的恒流充電至充電電流小 于 2.5A(1C/20)。靜置1小時(shí)。將充滿(mǎn)電的電池以1C放電速率放電，直至電壓達(dá)到2.5V 。由于電池內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜，內(nèi)部參數(shù)變化難以用實(shí)驗(yàn)設(shè)備直接測(cè)量，因此使用電池的電壓和溫度變 化曲線(xiàn)來(lái)驗(yàn)證電化學(xué)一熱耦合模型的準(zhǔn)確性。圖 4和圖5分別為電池在室溫下，以0.3C,O.5C ， 0.8C,1C 和 1.5C的恒流放電的放電電壓仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和溫升仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，誤差隨著放電倍率 增加而略微增加，最大相對(duì)誤差為 3.08%，其余絕大部分相對(duì)誤差在1.5%以?xún)?nèi)，低于實(shí)驗(yàn)誤差所允許 的 5%以?xún)?nèi)?？梢钥闯龇抡婧蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果一致性較好，模型的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。模型與實(shí)驗(yàn)的微小偏 差是由于參數(shù)設(shè)置的結(jié)果，例如正負(fù)極反應(yīng)速率常數(shù)來(lái)源于參考文獻(xiàn)，與實(shí)際情況略微有所偏差，影響電池的極化程度，使得偏離量隨著放電倍率增加而增加，最終導(dǎo)致上述誤差。
不同拓?fù)淠K分別以1C和O.5C恒流放電。由于拓?fù)淠K和傳熱邊界的不同，實(shí)際上從每個(gè)電池 上流出的電流就不會(huì)相等，這會(huì)導(dǎo)致電池產(chǎn)熱的差異。其中由于電池 D處于電池模塊中心位置，較 難向外散熱，因此放電結(jié)束時(shí)，它的溫度是 4類(lèi)電池中最高的。與此相反，電池A的溫度則是最低 的。圖 6(a)與(b)和圖7(a)與(b)分別為不同電路的電池模組以1C和O.SC放電時(shí)的平均溫升示意圖和最 大溫差示意圖。放電倍率越大，電池模塊的溫升和溫差就越大。因?yàn)殡姵氐膬?nèi)阻會(huì)隨著放電倍率的增大而增大 ，導(dǎo)致電池產(chǎn)熱增加，整體的溫度提高，而平均溫度的提高進(jìn)一步放大了模塊的溫度差 異。通過(guò)比較圖 2(a) ， (d) ， (f) ， (b)和(b) ， (e) ， (c) ， (a)所對(duì)應(yīng)的溫度示意圖，不難發(fā)現(xiàn)不管是先串 后并還是先并后串，隨著并聯(lián)支路的增加或者是串聯(lián)單元數(shù)量的減少，整個(gè)模塊的平均溫升和最大溫差會(huì)降低，有助于提高電池組的安全性。一方面，放電電流大小相同的情況下，溫度高的電池由于內(nèi)阻小于溫度低的電池，前者的產(chǎn)熱就會(huì)低于后者 。另一方面，并聯(lián)電路會(huì)分配各個(gè)電池的電流， 因?yàn)閮?nèi)阻差異，溫度高的電池電流要比溫度低的電池電流大，減少兩者之間的產(chǎn)熱差值，并且降低了模塊總產(chǎn)熱，這與文獻(xiàn) ]所得出的溫度趨勢(shì)結(jié)果一致。因此并聯(lián)電路的平均溫度和最大溫差 要小于串聯(lián)電路。放電初期，由于溫度對(duì)電路電流的影響較小，所有拓?fù)淠K的溫升基本一致。但到了放電中期， 單體電池之間的溫差逐漸顯著，會(huì)影響到它們各自的電流大小。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，先串后并的模塊溫升速率要比先并后串的模塊要大。隨著并聯(lián)支路數(shù)量的增加，前者溫度上升的速率加快，而后者則隨著串聯(lián)單元數(shù)量的增加而加快。到了放電末期，電池內(nèi)部鋰離子濃度過(guò)小，電池極化內(nèi)阻顯著增大 ， 所有模塊的溫升速率隨之激增。Fig.6Averagetemperatureriseofbatterymodule主要從電壓或電流兩個(gè)方面考慮不同模塊的放電性能。放電時(shí)間根據(jù)放電倍率而改變，1C時(shí)為3600s ， O.5C時(shí)則為7200 s 放電隨著放電過(guò)程的進(jìn)行，由于散熱不同導(dǎo)致的電池性能差異會(huì)通過(guò)不同 的拓?fù)涠糯蟆D 8(a)和(b)為放電結(jié)束時(shí)不同電路和倍率下4類(lèi)電池的電壓。顯然，放電倍率越高， 電池最終電壓越低，這是由于內(nèi)阻增大而導(dǎo)致的。也就是說(shuō)，內(nèi)阻的增加使得電池的放電平臺(tái)電壓降低，同一電壓對(duì)應(yīng)著的放電容量也會(huì)隨之降低 。因此在放電容量一致的情況下，高倍率的電池終 止電壓要更低。串聯(lián)電路電壓最高，而并聯(lián)電路電壓最低。從圖 6得知放電結(jié)束時(shí)，串聯(lián)電路的平均 溫度最高，而溫度越高，電池的內(nèi)阻就會(huì)越低，這時(shí)消耗在極化和歐姆內(nèi)阻上的能量就越低，所以放電結(jié)束時(shí)串聯(lián)電路電池的電壓要更高些，這也同樣解釋了在 4類(lèi)電池中為何電池D電壓最高。低倍 率放電時(shí)，不同混聯(lián)模塊的電壓差異并不明顯，但是當(dāng)倍率高達(dá) 1C時(shí)，這方面的差異就不可忽視 了。放電倍率的增加不僅導(dǎo)致不同電路模塊的同一電池的終止電壓差值變大，還使得同一模塊的不同電池之間的終止電壓差值變大。
提出了基于電流和電壓的不一致性系數(shù)來(lái)衡量各種拓?fù)淠K的一致性，如圖9(a)和(b)所示。由于P波動(dòng)范圍較大，因此選取P的積分中值P 0 作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，如式(7)所示。其中t。是指放電時(shí)長(zhǎng)。 P 0 的值越接近 0，模塊的一致性越好。在放電過(guò)程中，電路a和電路d的P值一直很小，直至放電末期才有明顯升高。電路b與電路e 的P值和溫度特征近似相同，這意味著在同等情況下兩電路的功率和容量可以相互轉(zhuǎn)化。電路 f的 P值波動(dòng)范圍較大，并且隨著放電深度的加大，其值主要表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，這種趨勢(shì)在放電末期最為明顯。并聯(lián)電路與串聯(lián)電路的區(qū)別在于并聯(lián)電路的電壓會(huì)保持一致，也就是說(shuō)電池之間會(huì)相互充放電。由于模塊溫差的存在，并聯(lián)支路會(huì)有電流調(diào)節(jié)降低電池間的溫差，然而電池間的一致性卻也降低了。所以通過(guò)外部散熱來(lái)提高模塊的均溫性可以減少電流的調(diào)節(jié)，從而提高電池之間的一致性。另一方面，混聯(lián)電路的情況要更為復(fù)雜。并聯(lián)支路數(shù)相同時(shí)，先串后并模塊的一致性要優(yōu)于先并后串。對(duì)于先并后串的模塊，其并聯(lián)支路中串聯(lián)電池的數(shù)量越多，放電過(guò)程時(shí)電池之間的一致性越差。對(duì)于先串后并的模塊，其并聯(lián)的支路數(shù)越多，電池的一致性越差。所有電路在不同放電倍率下的 P 0 如表3所 示。電池的一致性受到放電倍率的影響，隨著放電倍率的增加而降低。電路 a與電路d的一致性最 好，而一致性最差的電路 f的P 0 值高達(dá)它們的十幾倍。綜合電池模塊的溫升，溫差和一致性三個(gè)方面，電路c的表現(xiàn)最為全面。對(duì)于這8塊軟包三元 鋰離子電池，采用先并后串， 2并4串的方式組成電池模塊的方式能夠使得溫度特性和電池一致性都保 持在較高的水平，并且能夠保證電路工作的可靠性。基于電化學(xué)一熱 耦合 模型，將電池模塊以不同倍率的放電，研究不同串并方式對(duì)其溫度場(chǎng)和一致 性的影響，得出以下結(jié)論 :1 ） 放電倍率越大，電池模塊的溫升和溫差就越大，電池最終電壓越低，一致性越差。不管是先 串后并還是先并后串，并聯(lián)支路的增加或者是串聯(lián)單元數(shù)量的減少，都會(huì)使電池模塊的平均溫升和最大溫差會(huì)降低。2)放電結(jié)束時(shí)串聯(lián)電路電池的電壓最高，并聯(lián)電路最低。放電倍率的增加不僅會(huì)使不同電路模 塊的同一電池的終止電壓差值變大，還會(huì)使同一模塊的不同電池之間的終止電壓差值變大。3)并聯(lián)支路數(shù)相同時(shí)，先串后并模塊的一致性要比先并后串的要好。對(duì)于先并后串的模塊，其 并聯(lián)支路中串聯(lián)電池的數(shù)量越多，放電過(guò)程時(shí)電池之間的一致性越差。對(duì)于先串后并的模塊，其并聯(lián)的支路數(shù)越多，電池的一致性越差。4)下一步需要在文中研究基礎(chǔ)上，通過(guò)增加老化曲線(xiàn)和散熱模塊，討論單體不同參數(shù)對(duì)不同電 路模塊的影響，以將其應(yīng)用在電池規(guī)?；某山M和熱管理技術(shù)。
文章來(lái)源：南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
廣告
廣告 
