锂离子电池充放电循环过程的热行为及液冷策略模拟研究

锂离子电池具有比能量高、循环寿命长、安全性好、输出功率大、可承受较宽充放电倍率等特点,目前主要应用场景可分为三类:消费类电子产品,新能源汽车以及工业/储能电站。锂离子电池在充放电的过程中会产生大量的热量,导致整体的温度发生变化,从而影响电池的容量和性能,在某些极端情况下,还会引发热失控,造成重大安全事故,因此需要热管理系统保证电池合理的温度范围及温度均匀性。本文基于电化学-热耦合模型对锂离子单体电池及电池组进行热行为分析,为电池单体及热管理系统设计提供理论基础,为锂离子电池在智能化进程的进一步发展提供技术支持。利用实验和模拟方法对21700型锂离子单体电池不同充放电倍率下的热行为进行研究,通过实验方法获得1C、1.5 C、2 C倍率下单体电池充放电过程中的温度、电压、电流变化作为模拟方法的验证数据,在此基础上以电池充电过程的温度分布为基础,基于单体电池一维电化学-三维热耦合模型,进行产热机理的研究,并对相同倍率下充电过程和放电过程的温度及产热进行对比。结果表明:模型可以很好的模拟电池在充放电过程中的热行为,在锂离子电池充电过程中,平均温度呈先上升后下降的趋势,电池充电过程总产热受极化产热影响较大,且恒流充电过程中的总产热大于恒压充电过程总产热,二者比例约为9:1。对于恒流充电过程,随着充电倍率的增大,极化产热占比由40.2%增长到50.5%,反应热和欧姆热的相对占比基本保持不变。在较低倍率下,充电过程的最高温度大于放电过程,而在高倍率下,放电过程的最高温度大于充电过程。与放电过程相比,充电过程具有更高的平均温度峰值和更大的产热,主要受恒流充电过程的影响,具有温度提升时间短、上升速度快,产热大的特点。在单体电池模型得到验证的基础上,构建3×3型21700电池组,研究电池组在充放电循环过程中的热行为以及相关因素影响,结果表明:相比单体电池,充电过程中电池组的最高温度以及温差均进一步增大,电池组充电过程具有热量累积效应。在充放电循环过程中,电池组热量累积效应的影响进一步凸显,最高温度峰值不断提高,组内单体电池的温差也不断加大,在2C倍率下,电池组的最高温度较环境温度提升60.4 K,已接近锂离子电池热失控温度。通过设置5、10、20、50和100 W/(m2·K)五种对流换热系数研究散热条件的影响,结果显示提升换热系数可以明显的降低电池组及组内单体电池的最高温度,但会使得组内所有电池的温差进一步增大。针对电池组充放电循环过程中的热行为特点,提出一种液冷式锂离子电池组热管理方法,并分析液冷模式、冷却液流量和入口温度的相关影响,结果表明:在三个倍率下,液冷式电池组的最高温度下降比例分别为3.41%,5.48%和7.21%,循环过程中电池组的最高温度基本一致,热量累积效应大大降低,组内各单体电池的温度变化范围基本一致,各电池的温差可控制在2 K以内。被动液冷模式下,静止工质的换热能力随着温度的上升而下降,热管理收益性较差。对于主动液冷模式,冷却液流量对电池组热行为的影响较小,而冷却液入口温度的降低可以显著降低电池组的最高温度,冷却液温度下降10 K,电池组的最高温度平均下降7 K,温差下降0.5 K。综上,本文对锂离子电池单体及电池组在不同倍率、不同冷却策略下充放电循环过程的热行为进行了研究,并探讨热行为影响因素,可以为单体电池设计以及电池组热管理方法的设计提供一定的参考。