電動(dòng)汽車快速充電循環(huán)下鋰離子軟包電池的優(yōu)化冷卻和熱分析

來源|Journal of Energy Storage

01背景介紹

鋰離子電池由于比其他電池類型具有更高的優(yōu)勢，例如高能量密度、低自放電率、重量輕、零記憶效應(yīng)和長生命周期，因此在汽車行業(yè)中變得無處不在。然而，鋰電池在一個(gè)狹窄的溫度范圍內(nèi)工作最佳：15–40°C。在低于此范圍的溫度下，電解質(zhì)中的離子電導(dǎo)率會(huì)顯著降低，從而導(dǎo)致功率輸出降低、鋰電鍍和隨后的電池退化，而在更高的溫度下，加速的放熱反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電池材料腐蝕、整體電池退化，并在 80°C 以上的溫度下導(dǎo)致熱失控。除了將溫度保持在一個(gè)狹窄的工作范圍內(nèi)，保持電池單元或模塊內(nèi)的最大溫差較低也很重要；<5°C 的值是電池內(nèi)推薦的最大溫差。

目前，大多數(shù)關(guān)于電池冷卻設(shè)計(jì)和優(yōu)化的研究工作都集中在圓柱形和棱柱形電池上。最近，袋形電池因其比圓柱形電池更高的能量密度而受到關(guān)注。目前，已經(jīng)提出了各種用于冷卻鋰離子電池的熱管理系統(tǒng)：空氣冷卻、間接液體冷卻、直接液體或浸沒冷卻、使用相變材料、熱管以及涉及兩種或多種這些方法組合的混合方法進(jìn)行被動(dòng)冷卻。然而，就電動(dòng)汽車的商業(yè)應(yīng)用而言，只有風(fēng)冷和液冷已大規(guī)模實(shí)施，其他還處于研究階段。由于其高熱容量，液體冷卻仍然是迄今為止最有效和研究最多的系統(tǒng)；因此，當(dāng)前的研究趨勢是尋找改進(jìn)液冷板設(shè)計(jì)的方法，以實(shí)現(xiàn)更好、更具成本效益的熱控制。

02成果掠影

近期，路易斯維爾大學(xué)機(jī)械工程系Sam Park教授團(tuán)隊(duì)提出了一種電動(dòng)汽車快速充電循環(huán)下鋰離子軟包電池的優(yōu)化冷卻和熱分析方法。本研究使用多域建模方法對采用 1P4S 配置（1 個(gè)并聯(lián)和 4 個(gè)串聯(lián)電池）的商用 65 Ah 軟包電池進(jìn)行熱分析。該研究旨在分析四種不同冷卻配置的熱行為，即具有環(huán)境冷卻的單電池、具有環(huán)境冷卻的 1P4S、僅具有底部液體冷卻的 1P4S 和具有兩側(cè)液體冷卻的 1P4S。Newman、Tiedemann、Gu 和 Kim (NTGK) 模型用于小尺度電化學(xué)建模，而計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD) 用于分析電動(dòng)汽車常用的不同快速充電速率期間的熱行為。

研究結(jié)果表明，使用兩個(gè)流動(dòng)方向相反的冷卻板而不是單側(cè)冷卻可將最大溫差從 10°C 降低 50% 至 5°C，并將充電期間的最高溫度降低 7°C，為 1.98°C。這表明使用兩側(cè)液冷可以顯著改善電池的熱性能，這對于快速充電和整體電池性能至關(guān)重要。這項(xiàng)研究對行業(yè)的意義重大，因?yàn)樗峁┝擞嘘P(guān)如何改進(jìn)電動(dòng)汽車電池組的設(shè)計(jì)和熱管理的見解。通過使用多域建模和 CFD 分析，電池制造商可以優(yōu)化其電池組的設(shè)計(jì)，以改進(jìn)熱管理，降低熱失控風(fēng)險(xiǎn)，并提高電池性能和壽命。這可能會(huì)導(dǎo)致開發(fā)出更可靠、更高效的電動(dòng)汽車，從而有助于加速電動(dòng)汽車在全球的普及。

研究成果以“Optimized cooling and thermal analysis of lithium-ion pouch cell under fast charging cycles for electric vehicles”為題發(fā)表于《Journal ofEnergy Storage》。

03圖文導(dǎo)讀

圖1 (a) NGTK模型電壓預(yù)測與不同電池放電速率下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，底部冷卻通道的(b) 1P4S模塊，頂部和底部冷卻通道的(c) 1P4S模塊，底部冷卻通道的1P4S模塊的(d)網(wǎng)格獨(dú)立性研究，(e)頂部和底部冷卻通道的1P4S模塊的網(wǎng)格獨(dú)立性研究。

圖2 單個(gè)電池的恒流充電顯示(a)最高溫度，(b)溫差和(c)產(chǎn)熱速率。單個(gè)電池在1.98C充電期間的溫度分布顯示在時(shí)間步長：(d)為50s(e)1000s(f)1330秒。

圖3 比較1P4S (a)最高溫度、(b)溫差和(c)在不同碳速率下的熱產(chǎn)生率。在(a) 50s (b) 1000s (c) 1330s下，充電1.98C時(shí)1P4S的溫度分布。

圖4 1P4S模塊的底部冷卻顯示：(a)最高溫度，(b)溫差，以及不同碳速率下的(c)產(chǎn)熱速率。1P4S模塊的頂部和底部冷卻顯示：(d)最高溫度，(e)溫差和(f)不同碳速率產(chǎn)生的熱量。

圖5 在(a) 50 s充電1.30s，(b)1000s(c)2440s時(shí)，1P4S的溫度分布。在(d) 50 s (e) 1000 s和(f) 2440 s的條件下，充電1.30C時(shí)1P4S的溫度分布。

圖6 底部和上部冷卻組件顯示：(a)模塊最高溫度、(b)模塊溫差、(c)頂板最高溫度、(d)頂板溫差、(e)底板最高溫度和(f)底板溫差。

審核編輯：湯梓紅