锂电池循环充放电过程热管理实验1.pdf
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1、第 37 卷第 4 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.4 Vol.37 2023 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug.2023 文章编号:1003-9015(2023)04-0552-08 锂电池循环充放电过程热管理实验1 周东波1,2,杨 亮1,2,刘道平1,2,胡尚尚1,2(1.上海理工大学 能源与动力工程学院,上海 200093;2.上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093)摘 要:针对动力电池充放电过程积热问题,以动力锂电池(18650 型)为研究对象,在 25、3
2、0 和 35 恒温环境中,研究自然风冷、强制风冷和相变材料冷却 3 种方式对电池在 1、2 和 3 C 倍率放电时散热性能的影响。研究结果表明,自然风冷下,电池温度随环境温度和放电倍率的增加而上升,且在 35、3 C 放电倍率时表面最高温度达到 86.45,最大温升速率达到 20.6 min1;1 和 3 ms1风速下,温度分别下降 31.29%和 32.61%,且 3 ms1风速时的温升速率下降至 6 min1以下;相变材料在电池多次循环充放电过程中,对电池冷却效果最稳定,降温效果最佳,最高温度低于 50,表面温差小于 3,且温升速率降低至 3 min1以下。研究结果对动力电池充放电过程热管
3、理具有一定指导意义。关键词:锂电池;热管理;温升速率;相变;循环 中图分类号:TM912 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1003-9015.2023.04.005 Experimental study on thermal management of lithium batteries during charge-discharge cycles ZHOU Dongbo1,2,YANG Liang1,2,LIU Daoping1,2,HU Shangshang1,2(1.School of Energy and Power Engineering,University
4、of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,Shanghai 200093,China)Abstract:In order to address heat buildup issues during power battery charge and discharge,18650 batteries were used to study heat di
5、ssipation effects of natural air cooling,forced air cooling and phase change material cooling at 1,2 and 3 C discharge rates under 25,30 and 35.The results indicate that the cell temperature increases with the increase of ambient temperature and discharge rate under natural air cooling.The maximum s
6、urface temperature reached 86.45 and the maximum temperature rise rate was 20.6 min1 at 35 and 3 C discharge rate.The temperature dropped by 31.29%and 32.61%under 1 and 3 ms1 wind speeds,respectively.The rate of temperature rise dropped to less than 6 min1 at 3 ms1 wind speeds.Moreover,the phase cha
7、nge material showed the best consistence and effectiveness.The peak temperature was less than 50 and the surface temperature difference was less than 3 with temperature increase rate less than 3 min1.The results are helpful in guiding thermal management of power battery charging and discharging proc
8、esses.Key words:lithium batteries;thermal management;temperature rise rate;phase change;circulation 收稿日期:2022-06-05;修订日期:2022-10-29。基金项目:国家自然科学基金(52176015,51606125)作者简介:周东波(1997-),男,河南驻马店人,上海理工大学硕士生。通信联系人:杨亮,E-mail: 引用本文:周东波,杨亮,刘道平,胡尚尚.锂电池循环充放电过程热管理实验 J.高校化学工程学报,2023,37(4):552-559.Citation:ZHOU Dong
9、bo,YANG Liang,LIU Daoping,HU Shangshang.Experimental study on thermal management of lithium batteries during charge-discharge cycles J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(4):552-559.第 37 卷第 4 期 周东波等:锂电池循环充放电过程热管理实验 553 1 前 言 随着汽车行业的快速发展,满足能源短缺和环境友好的新能源汽车自问世以来得到人们的青睐1-2。常见
10、动力锂电池(18650 型)具有容量密度大、寿命长、内阻小、安全性能高、使用范围广等特点,被人们应用到新能源汽车电源设备领域3-4。动力电池在充放电过程中,尤其是放电过程产生大量热量,当热量无法快速地传递到外界,会导致电池出现热失控现象5-6,甚至发生自燃、爆炸等安全问题7。锂电池高效工作温度范围为 2050 8,温度过高会恶化动力电池的性能,并增加内阻,这会导致电池性能下降和使用寿命缩短9。因此,合理有效的电池热管理系统对动力电池安全高效的工作十分重要。常见的电池热管理系统可分为主动冷却和被动冷却,主动冷却包括强制风冷和液冷,被动冷却包括自然风冷及相变材料冷却等。风冷可以分为串行和并行 2
11、种方式10-11,虽然风冷成本低,结构简单,但是存在散热不足、均温性差等缺点12-13。相变材料(phase change materials,PCM)冷却是通过相变过程中吸收或释放大量潜热来控制电池温度,该冷却方式结构简单、无噪声、无额外能耗,降低电池温度的同时也能提高电池的热均匀性14-16。基于以上散热方式,众多学者通过实验或模拟的方法来验证或改善散热效果。李悦等17探究风冷下 18650 型磷酸铁锂电池的产热情况,结果发现,随着放电倍率的增加,产热区域以正极产热和隔膜产热为主,产热类型以欧姆热为主,3 C 放电时欧姆热占总产热的 72.43%。沈嘉丽等18论述了环境温度与放电倍率对锂电
12、池放电过程温度影响。Al-Hallaj 等19-20通过数值模拟和实验的方法,在近似绝热的条件下,电池被相变材料包裹后的温度降低约 8。Duan 等21采用加热棒模拟电池,使用相变材料设计 2 种方式包裹电池,结果发现,与自然风冷相比,包裹相变材料能使加热棒温度降低 30。相变材料冷却与不同风速冷却结构都较简单,因此锂电池在循环充放电的过程中,以不同风速或 PCM 对电池冷却时的温升特性得到了研究。本研究针对 18650 型动力锂电池(以下称电池)自身的结构与产热特点,考虑到电池通常工作环境,通过改变放电倍率(1、2、3 C)和环境温度(25、30、35),研究不同散热方式(自然风冷、强制风冷
13、、PCM)冷却对电池单体循环充放电过程中温升特性的影响,并对多组循环充放电实验结果作 Error-bar 图,分析不同工况下实验结果的变化规律。2 实验部分 2.1 实验材料与设备 实验所用电池为 18650 型锂电池,其直径为 18 mm,高为 65 mm,额定容量为 2 600 mAh,额定电压为 3.7 V,截止充电电压为 4.2 V,截止放电电压为 2.5 V。相变材料采用低温石蜡,相变区间为 4648。实验装置流程如图1 所示,主要包括恒温槽(ME/FP50)、电池充放电仪(ZKE EBC-A10H/EBD-A20H)和安捷伦(Agilent)34972A 数据采集仪。采用 K 型热
14、电偶测量电池温度,测量精度为0.01。通过调节直流电源电压控制调节风扇风速。2.2 实验过程 电池表面温度测点,分别为图 1 中正极处的 1 点、中间的 2 点和负极处的 3 点。因 1 和 3 测点温度数据差异较大,本研究只对这 2 个测点的温度数据进行分析。在实验过程中,先对电池进行一次充放电,确保电池的各项性能参数准确,排除实验前带来的误差。将电池单体置于恒温环境中 30 min,使其表面温度与恒温环境温度相同;设置充放电程序,以 1 C 恒流充电,充电结束后立即以 1 C 恒流放电至截止电压;改变环境温度am(25、30、35)和放电倍率Q(1、2、3 C)重复试验。每次实验共有 20
15、 次充放电循环,5 次循环为一组,每组之间静置 30 min,共 4 组。在恒温环境中分别采用自然风冷(速度 u=0 ms1)、强制风冷(u=1、3 ms1)、PCM 对电池进行散热,检测并记录电池温升数据。图 1 实验装置流程图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup Data loggerCharge and discharge deviceComputerLi-ion Tt AV1 2 3 Thermostatic bath 554 高 校 化 学 工 程 学 报 2023 年 8 月 3 结果与讨论 3.1 锂电池在自然风冷工
16、况下的温度特性 在不同放电倍率和环境温度下,以自然风冷对电池散热,测得电池的温度变化数据,包括温度()、温升速率/t(min1)、测点 1 最高温度1()与测点 3 最低温度3()的温差13。以放电倍率 3 C、环境温度 30 为例(见图 2),图中 C1,C2C20为锂电池 20 次循环充放电过程,从图中可以看出,每组温度曲线中的高峰温度随时间t(min)的延长呈现逐渐递减趋势,主要原因是每组实验电池连续充放电,且得不到恢复,导致电池容量逐渐减小。放电初期,/t 骤升;放电后期,测点 1 处的温度上升至整个充放电过程的温度峰值;13随着时间变化具有相对应的变化趋势。选取电池第一次循环的充放电
17、进行分析。不同风冷工况下(u=0、1、3 ms1)电池温度特性如图 3所示,当 u=0 ms1时,不同环境温度、同一放电倍率下1和3的温度变化随时间变化趋势相似。当电池以 1 C 放电时,其温升速率先减小后增大(见图 3(a)。这是因为电池放电倍率小,其放电前期产热少,内部温度低,Li+移动缓慢,导致内阻较大,造成内部产热量急速增加,进而表现出表面温度快速上升。随着放电过程的进行,电池内部温度上升,Li+移动速度加快,内阻逐渐减小,温升速度减小。到达电池放电后期时,Li+转移到正极的数量达到极限,Li+移动困难,导致内阻急剧增加,电池内部快速产热,其表面温度也急速上升。针对以上现象,李悦等17
18、、沈嘉丽等18进行相应的论述。此外,电池的最高温度max及最大温差(13)max随着放电倍率的增加不断上升。在 2 和 3 C 放电倍率下,电池最高温度分别为 65.72 和 75.23,均超过了其安全工作温度;而此时最大温差分别为 15.76 和13.50,温差减小的原因是高温促进电池内部传热。环境温度 35、3 C 放电工况下,电池最高温度达到了 86.45。对比图 3(d)、(e)和(f)可以发现,当 u=0 ms1时,同一环境温度下,电池表面最大温升速率(/t)max(min1)随着放电倍率的增加而快速上升;2 和 3 C 放电倍率下,(/t)max随着环境温度的增加有缓慢增长,且放电
19、倍率越大,涨幅越大;当 Q=1 C 放电时,环境温度为 25 下的(/t)max较高,这是因为环境温度与放电倍率都较低。因此,为保证锂电池在高倍率放电工况下持续、安全且高效工作,需强化其散热方式。30507090-20-1001020050010001500200025003000350040004500051015C16C17C18C19C20C11C13C14C15C12C7C9C6C10C8C5C4C3C2C1 t/min图 2 30 环境温度下锂电池 3 C 放电时的循环充放电温度特性 Fig.2 Temperature characteristics of lithium batte
20、ry during cyclic charge/discharge at 30 and 3 C 1 3 1/t 3/t /(13)/t /(min1)第 37 卷第 4 期 周东波等:锂电池循环充放电过程热管理实验 555 3.2 锂电池在自然风冷与强制风冷工况下的温度特性 从图 3(a)中可以看出,1 C 放电倍率下,电池在 3 个风速(u=0,1,3 ms1)时的最高温度分别为 42.52、34.01 及 33.57,温度下降了 8.51、8.95;2 C 时,温度下降了 26.39、26.7;3 C 时,温度下降了25.53、27.26。此外,以 u=1、3 ms1对电池进行风冷时,其最
21、高温度均降到 50 以下。在图 3(b)中,当放电倍率为 3 C 时,锂电池最高温度分别为 82.63、55.32 和 55.31;从图 3(c)中可以看出,2 C 放电倍率下,最高温度分别为 76.93、51.25、50.28,3 C 放电倍率下,最高温度分别为 86.45、59.40、58.26。由以上数据可以发现,当放电倍率和环境温度过高时,电池温度仍超过 50。与 u=0 ms1相比,u=1、3 ms1的散热方式可以有效遏制电池温升速率(见图 3(d)。增大风速能够有效降低电池的温升速率,且放电倍率越高,效果越明显;但随着风速的增加,温升速率下降幅度不太明显。此外,1 C 放电倍率下对
22、应的规律与 2 和 3 C 不同,这是因为 1 C 放电倍率下电池产热少,当环境温度为 25 时,即使增大风速,但带走的热量相差不大。对比图 3(d)、(e)和(f)可以发现,随着环境温度的升高,u=1、3 ms1下电池温升速率几乎保持不变;但在 u=0 ms1工况下,温升速率先降低后稍微增加,1 1 1 3 3 3 图 3 不同风冷工况下锂电池温度特性 Fig.3 Temperature characteristics of lithium batteries under different cooling conditions(b)temperature rise process(am=3
23、0)(c)temperature rise process(am=35)(a)temperature rise process(am=25)1 C2 C3 C0510152025Discharge rate u=0 ms1u=1 ms1 u=3 ms1 /(min1)t ()max 0501001502002503003504002030405060708090100 t/min u=0 ms1,Q=1 C u=0 ms1,Q=2 C u=0 ms1,Q=3 C u=1 ms1,Q=1 C u=1 ms1,Q=2 C u=1 ms1,Q=3 C u=3 ms1,Q=1 C u=3 ms1,Q=
24、2 C u=3 ms1,Q=3 C u=0 ms1,Q=1 C u=0 ms1,Q=2 C u=0 ms1,Q=3 C u=1 ms1,Q=1 C u=1 ms1,Q=2 C u=1 ms1,Q=3 C u=3 ms1,Q=1 C u=3 ms1,Q=2 C u=3 ms1,Q=3 C 0501001502002503003504002030405060708090100t/min u=0 ms1,Q=1 C u=0 ms1,Q=2 C u=0 ms1,Q=3 C u=1 ms1,Q=1 C u=1 ms1,Q=2 C u=1 ms1,Q=3 C u=3 ms1,Q=1 C u=3 ms1,Q
25、=2 C u=3 ms1,Q=3 C u=0 ms1,Q=1 C u=0 ms1,Q=2 C u=0 ms1,Q=3 C u=1 ms1,Q=1 C u=1 ms1,Q=2 C u=1 ms1,Q=3 C u=3 ms1,Q=1 C u=3 ms1,Q=2 C u=3 ms1,Q=3 C 0501001502002503003504002030405060708090100t/min u=0 ms1,Q=1 C u=0 ms1,Q=2 C u=0 ms1,Q=3 C u=1 ms1,Q=1 C u=1 ms1,Q=2 C u=1 ms1,Q=3 C u=3 ms1,Q=1 C u=3 ms1,
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