温度差2℃,电池寿命却差很多

       锂离子电池凭借着高能量密度、长寿命的特性,在消费电子领域取得了巨大的成功,近年来在电动汽车产业快速发展的刺激下,锂离子电池又开始在动力电池领域开疆扩土。在电动汽车应用中锂离子电池通常需要通过并联、串联的方式组合成为模块,模块再组合成为电池包为电动汽车提供电能。根据单体电池的容量,通常一个电池包内会包含数百到数千只电池,例如特斯拉早期Model3的电池包中使用了7000多只18650型号的单体电池。由于电池包内的空间非常有限,因此大量的单体电池堆积在一起就会带来一个非常严重的问题——散热。

       在电池包内由于散热条件不佳,因此在电池包中间位置的单体电池的温度就会显著高于周边散热条件较好的电池,这会带来两个方面的影响:

       1)首先是随着电池温度的升高,电池的内阻会显著的降低,因此在放电的过程中温度高的单体电池电流就会明显高于温度较低的电池,这就造成电池温度高的电池的衰降速度显著高于温度低的电池。北京大学的QuanXia等人研究表明当电池组内最大温差从2.5℃升高到4.62℃时,同样充电600Ah后,电池组的可靠性会从0.9328,下降到0.0635(如下图红色和绿色曲线所示),可靠性下降到0.0635基本上就意味着电池组的失效。相反的,如果我们提高冷却剂的流速,将电池组内的最大温差进一步降低到2.36℃,则电池组的循环可靠性还会进一步提高(如下图中蓝色曲线所示),由此可见电池组的使用寿命不仅仅受到单体电池的寿命影响,更受到电池组内温度均匀性的影响,电池组内最大温差升高2℃甚至可能导致电池组的使用寿命缩短将近一倍。

       2)此外在电池组散热条件不佳的情况下导致部分电池温度过高,降低正负极的界面稳定性,本身就会导致电池的衰降加速。我们以常见的NCM622材料为例,NCM622扣式半电池在20℃下循环100次后,容量保持率为87.5%,但是如果环境温度提高到60℃后,循环100次后扣式电池的容量保持率则仅为68.8%,高温严重的降低了NCM622材料的使用寿命。研究表明高温下NCM622材料会面临更加严重的过渡金属元素溶解和Li/Ni混排,从而导致NCM622颗粒的表层结构衰变,引起界面阻抗的增加和可逆容量的衰降,这是引起NCM材料高温下衰降加速的主要原因。

       鉴于温度对于单体电池和电池组寿命的巨大影响,在电池组设计中热管理系统占有非常重要的地位。电池组的热管理系统一般具有两种功能:1)加热,通常通过在电池表面贴加热带的方式实现对单体电池的加热,也有部分学者提出电池内部加热的方式提高加热效率;2)散热功能,常见的散热方式主要包括风冷、水冷、热管和相变材料等,由于水的比热容比较大的,散热效果良好,因此水冷散热是目前最为常用的散热方式。例如特斯拉采用的电池组内部就采用了大量的蛇形管紧贴电池表面为单体电池进行散热,从而保证电池内部温度的均匀性,提高电池组的使用寿命。

       水冷散热带来良好的散热效果的同时,也带来一个巨大的风险,一旦冷却液发生泄漏,会直接导致电池组内大量的电器设备发生短路,动力电池组的电压往往高达数百伏,短路事故的发生会产生严重的安全事故。因此,电池组的冷却系统在使用之前必须要进行密封性检测,然而电池组的冷却系统通常体积庞大,结构复杂,常规的差压、背压等检测方式并不适合对其进行检漏。

source:http://www.juda.cn/news/82583.html

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