1 溫度對鋰電池的影響

 

溫度對鋰電池的影響，從溫度過高和過低兩個方面考慮。

 

溫度過高

 

短期，溫度過高，鋰電池存在損壞以及熱失控的風險。鋰電池負極SEI膜的溶解起始溫度在90℃左右（不同型號電芯有差別），一旦保護膜開始溶解，工作以外的自生熱過程就此開啟，電池進入了熱失控預備階段。在這個短暫的時間窗口內(nèi)，不能有效降低電池溫度，熱失控就會發(fā)生。

 

長期，長時間工作在較高溫度狀態(tài)，即使沒有沖破隔膜溶解溫度，電池的老化過程也會被加劇。電化學反應過程中，物質活性隨著溫度的升高而變強。電池充放電的反應過程更加活躍，表現(xiàn)為內(nèi)阻變小。同時，副反應也跟著增強，正負極材料的溶解、電解液自身分解過程都會加劇。

 

鋰電池長期在過高溫度下運行，壽命將受到嚴重影響。下圖是一組實驗數(shù)據(jù)，不同溫度下以相同的條件進行循環(huán)實驗，得到電池容量衰減情形對比數(shù)據(jù)?？梢杂^察到，過高的溫度明顯的帶來容量的加速衰減。

 

 

溫度過低

 

鋰電池內(nèi)阻隨著溫度的降低而增大，放電能力降低，一般0℃的放電能力不會高于常溫能力的70%。低溫充電，如果不對充電電流做出對應低溫的調整，極容易出現(xiàn)負極析鋰問題。低溫造成鋰離子和負極材料的活性同時下降，離子嵌入材料的效率降低，同樣的充電電流，低溫下，鋰離子來不及嵌入材料內(nèi)部而在材料表面形成單質結晶。鋰單質堆積，枝晶生長，是隔膜破損，出現(xiàn)內(nèi)短路的重要原因。熱失控發(fā)生概率陡增。

 

2 熱管理系統(tǒng)類型

 

熱管理系統(tǒng)，通過對電池組系統(tǒng)施加加熱或者散熱的手段，調節(jié)鋰電池的工作溫度，盡量使得溫度環(huán)境處在鋰電池最適宜的范圍，以最大化發(fā)揮電池組的能力，延緩電池老化。

 

熱管理系統(tǒng)主要有三種形式。空氣介質熱管理系統(tǒng)，液體介質熱管理系統(tǒng)，相變材料熱管理系統(tǒng)。

 

空氣介質熱管理系統(tǒng)

 

空氣介質熱管理系統(tǒng)，是應用最早，形式相對簡單的一種形式。系統(tǒng)利用空氣的自然流動或者強制流動，將電池生熱帶走或者將外部加熱器的熱量傳遞給電池，并保持系統(tǒng)內(nèi)溫度盡量均勻，溫差不要過大。

 

常見的空氣介質熱管理系統(tǒng)包括自然冷卻系統(tǒng)、風冷系統(tǒng)和器件加熱系統(tǒng)。

 

自然冷卻系統(tǒng)，不單獨設置冷卻裝置，依靠足夠的空間和電池包殼體的散熱能力，把電池產(chǎn)生的多余熱量從電芯本身帶走。這種方法自身不具備調節(jié)能力，適用范圍較窄。

 

風冷，是目前應用較多的空氣介質熱管理系統(tǒng)。電池包設置吸風口和出風口，設計空氣在電池包內(nèi)流通的通道和散熱器形式。系統(tǒng)可調節(jié)散熱效果的參數(shù)包括風量，散熱器形狀和數(shù)量，通道形式及風口位置和數(shù)量。風冷系統(tǒng)，電池包內(nèi)外大氣相通，密封等級無法做到較高級別。

 

加熱系統(tǒng)，應用在寒冷地區(qū)的電動汽車，電池包往往需要加熱裝置。鋰電池自身特性決定，在溫度低于0℃以后，電池性能發(fā)揮就會受到影響，同時還伴有對電池壽命的損害。加熱器種類包括純電阻加熱，電熱膜加熱等。純電阻加熱器，發(fā)熱效率不高，同時占據(jù)的空間較大。優(yōu)點在于工作穩(wěn)定，技術成熟。加熱膜，自身材質種類較多，各家名稱叫法并不統(tǒng)一。加熱膜以薄片的形式存在，宣稱的熱功率密度比較高，發(fā)熱效率高，理論上是比較理想的加熱形式。但其行業(yè)發(fā)展還不成熟，在汽車上應用的時間比較短，相關標準只搜集到建筑行業(yè)的行標，穩(wěn)定可靠性還有待測試和觀察。

 

液體介質熱管理系統(tǒng)

 

液體介質熱管理系統(tǒng)，是當前熱管理的研究熱點。溫度哦過高，利用熱容量大的液體，在電池包內(nèi)部循環(huán)，將電芯多余熱量帶走。溫度過低，可以在電池包外部將液體加熱，通過液體循環(huán)，將熱量帶進電池包內(nèi)。熱量的傳遞路徑，需要有水冷散熱器接觸電芯，將電芯的熱量通過散熱器傳遞給冷卻液，再由冷卻液運輸?shù)诫姵匕獠?。液冷系統(tǒng)冷卻效果均勻，可控范圍寬，理論上比較理想。但液冷也有其自身的缺陷。液冷系統(tǒng)占用空間比較大，設計不理想就可能降低電池包的能量密度。液冷系統(tǒng)在電池包外部需要冷卻液循環(huán)系統(tǒng)和處理冷卻液升溫降溫的壓縮機系統(tǒng)，系統(tǒng)復雜度較高。

 

相變材料熱管理系統(tǒng)

 

 

相變材料熱管理系統(tǒng)，是利用相變材料發(fā)生相變的過程中，吸收熱量且溫度不變的特性，調節(jié)電池包內(nèi)部的溫度。相變材料的相變溫度必須與鋰電池適合的工作溫度范圍相匹配，當前主要應用的相變材料是石蠟與膨脹石墨復合材料。

 

如上面的示意圖所示，相變材料需要填充到電池包內(nèi)部空間，最好貼合在電池表面。溫度過高時，材料利用相變潛熱吸收熱量。

 

相變材料的缺陷也很明顯，它只能調節(jié)高溫，低溫還需要單獨配備加熱器。另外，相變材料填充整個電池包內(nèi)部空間，這給后續(xù)的局部替換電芯帶來了不便。

 

 

3 一種鋰電池熱模型舉例

 

介紹一個方形鋰電池建模案例。作者周慶輝，在其論文《基于Fluent的鋰離子動力電池的熱分析》中表述了詳細的建模過程。

 

熱量來源

 

該模型認為，鋰電池的熱量來源主要是反應熱、歐姆內(nèi)阻熱，極化熱和副反應熱四個部分。其中，副反應熱比例較小，可以忽略不計。三部分發(fā)熱最終可以整合成兩種熱量，不可逆熱（內(nèi)阻發(fā)熱）和可逆熱（反應發(fā)熱）。

 

模型簡化

 

建立模型的對象是鋰電池單體。對于鋰電池的發(fā)熱過程，模型需要確定的參數(shù)有生熱率和熱物性參數(shù)。由于電芯的內(nèi)部實質上由多種材料組成，而電化學反應的過程也極其復雜，因此，需要對電池物理模型進行必要的簡化，才能得到復雜程度和準確程度適當?shù)纳鲜鰞深惸Ｐ蛥?shù)。

 

簡化熱傳遞過程。在電芯內(nèi)部，熱傳導是熱量流動的主要方式，而輻射熱占比極小，忽略不計；認為電池各項參數(shù)不跟隨電池溫度變化；在電池核心選擇一個發(fā)熱區(qū)域，認為這個區(qū)域是一個均勻的發(fā)熱體。

 

 

根據(jù)熱量的組成和簡化條件建立鋰電池模型函數(shù)：

 

 

公式前面3項是各方向上的導熱系數(shù)與溫度在這個方向上的二階偏導數(shù)的乘積。第四項，是生熱速率，等號右側是電池密度、電池比熱容與電池溫度對時間的偏導數(shù)的乘積。其中生熱率是需要確定的參數(shù)。

 

生熱速率采納的公式如下：

 

 

生熱速率，與電池體積成反比，括號內(nèi)部，前面一項是不可逆熱，后面一項是可逆熱。從公式可以看到，生熱速率與眾多電池參數(shù)以及環(huán)境溫度有關，不是一個常數(shù)。但是，為了簡化計算，在溫度不變條件下，設定它只與電流值有關，電流值越大，生熱速率越大。

 

 

材料的熱特性參數(shù)，用查表方式取得。各個方向尺寸差異較大的電芯，每個方向上選取的導熱系數(shù)也不相同。

 

 

 

 

最后，建立三維模型。電池本身是由正負極材料、鋁質銅質集流體、鎳帶極耳等多種材料混雜在一起發(fā)揮作用，模型暫時不考慮這方面的影響，認為電芯內(nèi)部材料是均勻一致的。發(fā)熱的位置在電池的幾何中心，熱量以熱傳導的方式同等效的向四周擴散。模型的熱分布狀態(tài)是中心溫度最高，距離中心越遠，溫度越低。方形電池的四個角溫度最低。