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锂离子动力电池的散热及优化

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锂离子动力电池的散热及优化

刘淑琴;黄菊花;李甜甜

【摘 要】基于锂离子电池对温度的敏感性,采用往复流对电池散热温度场进行仿真分析和优化,探究温度及温差对电池使用性能和安全性能的影响.根据电池组在不同环境温度下的仿真结果,制定散热控制方案并进行实验验证,其结果表明:优化后电池的温度均匀性明显提高,电池温度和温差可控制在电池使用的理想区间.%Based on

the sensitivity of the lithium-ion battery to temperature,the cooling

temperature field of lithium-ion battery were analyzed and optimized by

the reciprocating air flow method,and the effects of temperature and

temperature difference on the operational performance and safety

performance were researched.According to the simulation data under

different ambient temperatures,the cooling solution was proposed,and

also the solution was verified through experiments.The results show that

the temperature uniformity of the batteries after optimization is increased

obviously,and the maximum temperature differences can be controlled

under the ideal range of the battery temperature.

【期刊名称】《电源技术》

【年(卷),期】2017(041)007

【总页数】5页(P963-967)

【关键词】锂离子电池;往复流;散热方案

【作 者】刘淑琴;黄菊花;李甜甜 【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;江西师范大学物理与通信电子学院,江西南昌330022;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌330031

【正文语种】中 文

【中图分类】TM912.9

建立锂离子电池的三维热模型，可以实时获取电池表面和内部的温度情况，用于指导电池散热方案的设计及优化。

1.1 锂离子电池产热率的计算

电池产热量的计算应用Bernardi等人提出的理论计算公式[4]。该模型假设电池内部的产热处处相同，表达式为：

式中：I为电池放电电流；Vb、EOC、U1、T分别为电池体积、开路电压、端电压和温度；dEOC/dT为温度影响系数，一般是常数，取0.5 mV/K。

EOC-U1可以表示为IR，R为欧姆内阻和等效极化内阻之和，在电池不过充过放的条件下，R可定为常数，这里的值为25 mΩ，因此式(1)又可以写为：

将已知的值带入式(2)中，得到q的表达式为：

由式(3)可知，q是关于放电电流I和电池温度T的函数，随温度和电流的变化而变化。

1.2 锂离子电池组散热几何模型

26650电池容量小，应用于电动汽车上时，需要电池的数量比较庞大，所以将电池排列为两层，在电池模型一端安装散热风扇，散热风从一端单向流入，另一端单向流出(如图1所示)，电池间的距离为6 mm，上下层各九个单体电池。

1.3 电池组单向流仿真结果

对电池组模型进行散热仿真分析时，设置的条件为速度入口、压力出口、环境温度25℃，仿真分析电池组模型以不同倍率放电，通以不同散热风速的散热效果，将结果记录在表1中。

从表1的仿真结果中可以看出，同一放电倍率下，入口风速的增加能有效降低电池的最高温度，使其控制在20～45℃，但电池间的温差却超过了5℃，在电池3C放电，1 m/s的风速下达到了7.10℃，电池间的温度均匀性很差。分析电池组的结构，可知温差主要存在于上下层电池之间，为了解决上述问题，考虑应用往复流对电池模型进行散热优化，达到降低电池间温差的目的。

分析温差存在的原因:(1)散热风从上层电池流向下层电池，带走了上层电池的热量，使下层电池的散热风温度高于上层电池，根据热对流公式可知，下层电池的换热量小于上层电池，温升更快；(2)根据流体力学，当电池产生的风流入电池间的间隙进行热交换时，电池表面的热边界层有一个从入口段到充分发展段的过程，入口段的热边界层较薄，局部表面换热系数要高于充分发展段，根据热对流公式，换热系数越小，换热量越少，故下层电池的换热量小于上层电池。

因此，通过改变散热风的方向，采用往复流对电池散热进行优化，可以减小上下层电池间的温差[5]。

2.1 往复流散热原理

往复流就是通过交换电池模块的入风口和出风口条件，在电池模型的入、出风口各加装一个散热风扇A、B，通过控制风扇的启停来实现往复流，其原理如图2所示。在上半周期，开启风扇A，空气从A端流入，B端流出；下半周期，开启风扇B，空气从B端流入，A端流出，通过周期性改变空气在电池模块中的流动方向来改变上下层电池的换热系数及散热风与电池表面的温差，从而达到降低电池温度梯度的目的。

2.2 往复流CFD仿真分析

采用往复流散热方式，在电池的散热完成半个周期时，交换模型的入口边界及出口边界，其他参数不变。由于电池1C放电时的产热量少，单向流、小风速散热时，电池的温度及温差都处于理想温度区间，因此，主要分析电池以2C和3C放电时，应用方向能够发生变化的往复风对电池散热的情况，并与方向固定不变的单向风散热情况进行对比。设定往复流周期为1/2电池放电时间，结果如表2和表3所示。

从表2和表3数据可以看出，相比于单向流散热，往复流能明显减小电池间的温差，提高电池间的温度均匀性。放电电流大小不同、风速不同，温差降低的程度不同：电池2C放电时，风速分别为0.5和1.0 m/s，电池间的温差分别降低了43.16%和33.75%；电池3C放电时，风速分别为1和2 m/s，电池间的温差分别降低了39.30%和31.24%，都将电池间的温差控制在了5℃以内。同时还可以发现，往复流散热还能略微降低电池的最高温度，说明往复流散热是一种行之有效的散热方法。

图3所示为电池放电倍率2C，散热风速1 m/s，环境温度25℃(298.5 K)时，电池组模型散热仿真过程中冷却空气方向变化时刻电池表面的温度云图。

从图3可以看出，随着电池放电，电池温度逐渐上升，电池间温差也慢慢增大，靠近出风口的电池温升更快。在散热空气方向发生变化时，各电池的温度上升速率发生变化，原先靠近空气入口的电池温升速率有所增大，而靠近空气出口的电池温升速率有所减小，从而使得电池间温差又慢慢减小，在每一个空气方向变化的时刻，温升速率都发生相同的变化。

2.3 往复周期对散热的影响

分析以上的仿真结果可知，往复周期可以影响电池温差，周期越小，温差上升速率变化的越快。为了直观地分析往复周期对散热的影响，设置放电倍率为3C，比较常温下电池通以不同周期的往复流冷却风的散热效果，表4为实验因素表。

根据实验因素表4，对每一个入口风速都进行三种不同往复周期的实验，一共需进行9组实验，将实验方案及实验结果记录在表5中。 从表5中可以看出，在散热风速相同的条件下，随着往复流周期的减少，电池间的温差有逐渐减少的趋势，周期越小，电池模型的最高温度越低，最低温度越高，从而温差越小。往复流周期减少到1/3的电池放电时间时，电池间的温差已经能很容易控制在5℃以内，往复周期从1/3减小到1/4的电池放电时间，电池的温差及最高温度变化很小，继续缩短往复流的周期，对电池最高温度及温差影响很小。当汽车行驶时，电池电流并不是恒定不变的，而是在一定范围内变化的，最大放电电流为9 A，即3C放电，所以选定往复流周期为最小的1/4电池放电时间(9 A放电时间1 200 s)即300 s，对电池模型以2C放电的往复流散热温度场进行仿真分析，仿真结果如表6所示。

综上所述，常温下电池以1C、2C、3C放电时，分别通以0.3、0.5、1.0 m/s的往复环境风都能使电池的最高温度及温差控制在理想温度区间，电池得到有效的散热。

3.1 电池组散热控制方案

要制定电池组散热控制方案，就要知道电池组在整个环境温度内不同风速下的散热情况。下面分析环境温度为32和40℃时电池模型往复流散热的温度场，往复周期为300 s，其结果如表7和表8所示。

表7数据显示，在环境温度为32℃时，电池放电倍率分别为1C、2C、3C时，散热风速分别为0.5、2.0、5.0 m/s时，都能使电池达到温度控制目标；表8数据显示，在环境温度为40℃时，电池的温度很难下降，1C、2C放电时，需要2和5

m/s的风速才能使电池温度勉强达到控制目标，放电倍率3C时，即使是8 m/s的风速，电池的最高温度也达到了49.76℃，超过了目标值45℃。

电动车辆实际行驶时，在各种工况下的电池状态是不一样的，电池长时间的放电倍率基本不会超过2C。虽然电池的最大放电倍率是3C，汽车行驶时能达到3C电流的时间也非常短，而仿真时设置的条件是电池在整个过程中恒流放电，所以汽车行驶时，电池以最大放电倍率3C一直工作的情况是不存在的，因此，即使是在40℃的高温环境下，往复流风冷也能达到电池温度控制目标。

基于以上仿真结果及分析，制定电池组散热控制方案如下：

(1)环境温度低于25℃时的冷却方案

当外界环境温度较低时，电池组与环境的换热能力大，温升较慢。当检测到电池温度高于25℃时，若电池倍率放电小于1C，以0.3 m/s的往复环境风强制冷却；若放电倍率在1C～2C之间，以0.5 m/s的环境风散热冷却；若放电倍率大于2C，以1 m/s的环境风散热冷却。

(2)环境温度在25～32℃的冷却方案

该环境下，只要电池工作就给电池组进行散热。电池放电倍率小于1C时，散热风速为0.5 m/s；电池放电倍率在1C～2C之间，散热风速为1 m/s；电池放电倍率大于2C时，散热风速为3 m/s。

(3)环境温度超过32℃的冷却方案

此时，外界环境温度过高，在电池工作时要一直给电池进行散热，电池放电倍率小于1C时，散热风速为2 m/s；电池放电倍率在1C～2C之间，散热风速为5 m/s；电池放电倍率大于2C时，散热风速为8 m/s。图4所示为散热控制流程图。

3.2 散热控制方案的实验验证

为了确定上述散热控制方案是否合理，能否将电池的最高温度控制在20～45℃，电池间的温差控制在5℃以内，对上述方案进行实验验证。

(1)实验平台的搭建

搭建实验平台，如图5所示，电池组模型的搭建与仿真模型一样。电池放电电流由直流电子负载2来控制，使电流在整个放电过程中变化，具体变化值如图6所示。在各电池表面中心位置粘贴温度传感器，温度传感器连接到温度测试仪3，在温度测试仪上有一个USB接口，可以插入USB存储器。温度测试仪可以实时采集

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锂离子电池 动力电池 考题

锂离子电池 动力电池 考题

锂离子电池、动力电池考题

1. 请说明你所应聘行业的,当前年度的市场总规模,企业数量以及从业人数?

答:应聘的行业:锂离子电池动力电池

市场规模:2010年全年产值4592.08亿元。2011年上半年总产值2555.84亿元,全年大约5000亿元。

企业数量:3800家左右。

注:铅酸铵电池2000家左右,锂电约1000家,镍氢镍镉碱性电池等大约800家

从业人数:2011年上半年,从业人数620159人。

数据来源:工商局注册信息、国家统计局。

2. 请简要量化预测你所应聘行业未来3至5年市场总规模?并说明预测依据?

答:目前铅酸铵电池,和锂电池占市场的主导。由于铅酸铵电池具有高污染,并且能量密度最低。从未来市场需求的趋势来看,未来锂电和镍氢电池的发展空间最好。

锂电的下游需求中,手机占38.98、笔记本电脑占33.26,数码等其他电子产品占7.52%。电动工具占6.89。新能源汽车占0.21%。

未来电池的需求主要从以下几个方面分析:手机、笔记本、.数码产品、动力电池等从08年到2011年,笔记本销量增速的在10%左右(08年1.28亿台,11年约1.8亿台)。手机及数码产品增速约15%,全球电动代步车及电动轮椅车以每年7%-10%的速度保持增长。未来关键的发展在于新能源汽车是否能够推广和普及,电池在新能源汽车的应用可能会有爆发式增长。2010年开始,汽车制造商开始大幅提高锂电池作为动力源的比例,2013年达到预计达到226万辆,年均复合增长率为124.78%。

预计未来3-5年电池行业增长率保持在15左右%,未来3年总规模约7604亿元。考虑到电池替代,锂电池增速可能会在20%以上。

数据来源:IDC数据

3. 经济周期一般可分为哪几个阶段?请问您应聘的行业与经济周期之间的变动关系?为什么?

答:繁荣、衰退、萧条和复苏四个阶段。

电池行业的下游应用主要是电子产品,汽车,以及新能源和电力储能。其中汽车、电力属于周期性行业,受经济周期波动影响较大。总体来看,电池行业具有其绿色环保特点,以及在各个领域需求的不断增加,整个电池行业的增速比较乐观、发展前景广阔。

高功率密度锂离子电池的设计与优化

高功率密度锂离子电池的设计与优化

高功率密度锂离子电池的设计与优化

前言：

现今，电动汽车、无人机、机器人等新兴技术已经成为科技界的明星项目，因为它们可以缓解能源需求、减少污染，提高人们生活水平。而在这些科技设备的神经中，锂离子电池是一种非常重要的组成部分，它的性能直接决定了产品的使用寿命和效率。然而，传统的锂离子电池由于其能量密度和功率密度的局限，已经不能满足现在激烈的市场需求，高功率密度锂离子电池的研究成为了一个热门课题。

一、高功率密度锂离子电池的基本概念

所谓高功率密度指的是在给定体积内电池可以输出的最大功率，是一个电池能否支持高速放电的重要物理量。高功率密度锂离子电池的优点是承载更多能量和给予更大负载压力，在高速冲击等要求高动力要求的场合下具有非常大的价值。

为了实现高功率密度的锂离子电池，必须要优化电池的物理结构和化学成分，尤其是电极材料和电解液的选择。此外，合理的设计方案和设备配置，也可以在一定程度上提高电池的功率密度。

二、锂离子电池的电极材料和电解质

锂离子电池的电极主要由正极和负极组成，其成分和组成直接影响到电池的性能。目前的正极材料有三种：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4/LiMnO2）和磷酸铁锂（LiFePO4）。正极材料的选择应考虑到电池的工作电压和电荷转移机制，提高其可逆性和循环性能，并降低电极材料的成本。正极材料的研究集中在提高比容量和功率密度、并减少对成分的依赖性。

负极材料有石墨、石墨烯、过渡金属硅、锡酸锂等。当前应用最广泛的是石墨，它的安全性能好、成本低，但比能量和功率密度都不高。与此相比，石墨烯可以提供更大的比表面积，承载更多的锂离子，生成电池率更高，具有更高的功率密度。然而，其制备和应用成本较高，可靠性不高。目前，石墨烯和石墨的混合物应用于电池的负极材料中，既保证了可靠性和经济性，又实现了一定的功率提升。

电解液是锂离子电池中非常重要的组成部分。它负责锂离子在正负极之间的传输，同时还要保证电池内部和外部的化学稳定性。目前主要电解液有有机电解液和固体电解液。有机电解液具有很高的离子导电率，易于制备和处理，但含有挥发性有机溶剂，存贮不稳定，不适用于大规模工业生产；固体电解质在比能量和循环性能上具有优势，稳定性好，但导电性差、成本高，制备难度大。 研究人员通常采用有机电解液与优化后的电解液添加剂进行配合，从而兼顾它们各自的优势。

一文带你看懂动力电池热管理系统

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如果电池的工作温度超出合理温度区间，不论是过热或过冷，都可能发生热失控，电池性能都会明显甚至急剧下降。因此，电动汽车都会装备动力电池热管理系统，监测电池的工作温度等状况，出现异常时及时报警和处理。动力电池热管理系统主要有冷却处理、加热升温、调整充放电策略三方面内容。

一、冷却处理

高电压蓄电池的工作温度必须处于特定的范围内，才能确保容量和充电循环数等指标的理想寿命得以优化。当电池温度较高时，利用冷却液循环、自然风吹散热、热泵空调等冷却方式，对电池进行冷却降温。

1.冷却液循环

根据环境温度，可通过低温冷却器或连接在制冷剂循环回路上的热交换器，将高电压蓄电池的余热排出。低温回路2的控制主要通过驱动高电压蓄电池冷却转换阀来完成。高电压蓄电池冷却回路的散热器可将余热直接排放到环境中。热交换器通过热交换器中所喷入或蒸发的制冷剂，对冷却液进行冷却。随后，冷却后的冷却液提供给低温回路。低温冷却回路如图所示：

在通过充电装置供电插座对高电压蓄电池进行充电时，低温回路转换阀（Y73/2）在中等温度下切换到直流转换器和充电装置方向，并将电子装置的余热通过低温回路的散热器排出为此，风扇可根据冷却液温度分级开启。当高电压蓄电池温度较低时，冷却液通过被高电压蓄电池冷却系统膨胀阀阻断的热交换器进行输送。在这种情况下，高电压蓄电池的热容量被用于冷却直流转换器和充电装置的电子系统。

电动制冷剂压缩机将低温气态制冷剂从蒸发器中抽取，对其进行压缩，同时令其升温并输送到冷凝器中。压缩后的高温制冷剂在冷凝器中通过流经的，或通过风扇马达所吸入的车外空气进行冷却。当达到根据制冷剂压力所确定的露点后，制冷剂便会发生冷凝，并令其形态由气态变为液态。随后，制冷剂流入储液罐(干燥器)。在流过储液罐时，制冷剂吸收潮气，蒸气气泡被析出，同时机械杂质会被滤除，以保护后续部件免受侵害，清洁后的制冷剂继续流向高电压蓄电池冷却膨胀阀。在那里，处于高压下的液态制冷剂被喷入，或蒸发至高电压蓄电池冷却系统热交换器中。制冷剂循环回路如图所示：

锂离子电池及其电极材料大规模应用的瓶颈

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1、 锂离子电池产业亟待突破技术瓶颈

中国电池工业协会曹先生表示，用电低谷时进行储能，峰值时释放电能，智能电网和锂电池的有效衔接，是资源利用最高效的模式

国家质检总局的数据显示，目前，中国是世界最大的锂电池生产制造基地、第二大锂电池生产国和出口国，锂电产品已经占到全球40％的市场份额。仅2009年，国内出口可充电锂电池32．69亿只、出口总额10．81亿美元，出口一次性锂电池0．7598亿只、出口总额5．08亿美元。不仅如此，这组数字从2006年至今，每年都在以20%—30%的速度增加着。

中国消费者对锂电池的认知始于手机，就是因为有了它，“大哥大”才能从手里拿着到兜里揣着，体积缩小的同时，还拥有了更长的待机时间。其实，锂电池还有更为辉煌的成就，比如，心脏起搏器就是因为运用了锂亚原电池，才拥有了自放电率低、放电电压平缓的特点，使得起搏器植入人体长期使用成为可能。

今天，伴随微电子技术的发展，小型化设备日益增多，手机、笔记本电脑、电动工具、路灯备用电源、航灯、家用小电器上等等，无处不见锂电池的身影。锂电池凭着储量大、轻巧、可反复充电、无污染（不含重金属镉）等优势，迅速淘汰了镍镉、镍氢等电池技术，独占市场鳌头。 锂电池发展瓶颈

和过去粗放型经济中很多产业一样，中国锂电池能够迅速占领国际市场的法宝也是低成本。对此无可奈何的美国政府甚至编出些“锂电池需按危险品进行包装”的花招，想法设法给中国锂电池出口增加成本和门槛。暂且不去理会外人如何捣乱，中国锂电池在短短十余年地快速发展中，自己也存在着或多或少的硬伤。

撇开锂电池的材料和生产设备不谈，我们国家锂电池的技术水平和国际上是同步的，我们才十几年的发展，因此这点是值得宣传的。但同时也说明，在技术水平和生产设备等方面，我们还是被其他国家牵着鼻子走。

据了解，如果问题存在于生产设备和工艺流程方面，我国还可以仰仗进口和半人工的方式来解决，即便是高额的进口设备费用，仍可以依*低廉的人工成本进行摊薄。而在生产锂电池的材料方面，如隔膜、电池外表钢壳冲压材料等还依*进口的话，不但成本陡然而生、并受制于其他国家，更给一些质量低劣的进口材料打开口子，最终反过来影响中国锂电池的品牌形象。