如何延长锂离子电池的使用寿命

2019年 10月 17日

锂离子(Li-ion)电池因其能源效率而广为人知,并且正成为电动汽车(EV)设计者的首选电池。然而,随着温度的突然变化,这些电池的效率会快速降低。液体冷却是控制温度升高的一种方法(无论是环境温度还是电池本身产生的温度),这是一种有效的热管理方法,可以延长电池组的使用寿命。为了研究电池中的液体冷却并优化热管理,工程师可以使用多物理场仿真。

电动汽车中锂离子电池的热管理

锂离子电池由于具有能量密度高,使用寿命长和自放电率低等优点而具有许多用途。这就是为什么它们从便携式设备到电网储能的电子应用中越来越重要的原因——它们正成为电动汽车和混合动力汽车(HEVs)的首选电池,因为就重量而言,其能量密度更高。

尽管锂离子电池有许多优点,但它们对极端的低温和高温特别敏感。当锂离子电池组由于环境因素或自身的充放电速率而变得过热或过冷时,其性能和使用寿命会大大下降。不仅如此,而且一旦电池组在其最佳温度范围20至40°C之外加热或冷却,即使仅仅是1度的温度变化也可能会对电池管理系统和汽车本身的安全性、充电接受度和可靠性产生影响。

被充电的电动车的照片。
充电站处的电动汽车。图片由SanteriViinamäki提供——自己的作品。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0下获得许可。

通过正面解决这些问题,热管理帮助设计师重新掌握主动权。为了延长电池寿命和优化电池性能,有两个主要的与温度相关因素需要关注:

  1. 电池组的最佳温度范围
  2. 电池组和电池内部温度均匀分布

电动汽车的设计人员在设计电池热管理系统时,还必须考虑其他因素。以热管理系统的大小为例:在整个电动汽车设计中,安全电路和有害气体清除系统会占据空间,并且电动汽车中的电池组必须足够大,才能为整辆车供电。因此,热管理系统不能太大或太重,以至于干扰电动动力系统的性能,但它仍然需要非常有用,以快速消除较大电池组产生的热量。

什么是最有效的电池冷却系统?

电动汽车中的电池通常用以下方式冷却:

  1. 空气冷却
  2. 液体冷却
  3. 相变材料(PCM)冷却

尽管每种冷却方法都各有利弊,但研究表明,由于电动汽车的大小、重量和功率要求,液体冷却是电动汽车中锂离子电池的最优选择。直接液体冷却要求将电池浸没在液体中,因此,冷却液具有低(或无)电导率很重要。间接液体冷却不需要电池与液体接触。取而代之的是,液体冷却剂可以通过系统内的金属管循环,这需要金属具有某种防腐蚀保护。

工程师可以使用 COMSOL Multiphysics® 及其附加的 电池和燃料电池模块 以及 传热模块,对液冷式锂离子电池组建模,以研究和优化冷却过程。

使用 COMSOL Multiphysics® 对液冷式锂离子电池组建模

以这个液冷式电池组为例,模拟了锂离子电池组内电池和散热片中的温度曲线。(虽然散热片可以增加系统的重量,但由于其高导热性,对传热有很大帮助。)

如下图所示,电池组的几何形状由三个堆叠的重复电池单元和两个流动连接器通道(一个在散热片的入口侧,另一个在散热片的出口侧)组成。电池组中的每个电池单元都有一个带有流道的散热片(每个2毫米),每侧各有一个电池(每个 2 毫米),总厚度为 6 毫米。

电池组单元电池的模型几何。

左:由三个电池单元组成的电池组的几何形状。右:电池组的电池单元,带有两个电池和五个冷却通道的散热片。

该模型的建立是为了在一个负载周期内以3D求解一个操作点。要计算平均热源并对电池进行建模,可以使用与 3D 教程模型中的圆柱锂离子电池热 相同的一维电化学模型。电池温度设置为冷却液的入口温度,放电负载设置为 7.5C。

假设电池组中的温度变化较小,则可以使用电池组的平均温度来计算冷却液和电池材料的性能。同样的,如果在负载循环中产生的热量变化远小于电池组内的热传递,则可以在假设负载平衡的情况下,对于给定的电池热源和工作点,热平衡为准静态的情况建立模型周期。

由于我们想要求解冷却通道中的速度和压力以及温度场,所以我们在这个模型中同时使用了层流 传热 接口。

对于流动,假定冷却液具有水的材料属性,并且使用入口温度作为输入来计算流体属性。流过冷却板的液体在入口1进入,而早先通过电池组中的散热片的流体在入口2进入。大气压施加在出口处。

建立一个传热模型,以解决流动室、铝制散热片和电池的温度场问题。回到 圆柱锂离子电池的 3D 模型,您可以在电池域中应用相同的密度、热容量和热源。然后,在此示例中,入口1的冷却液温度为310 K,并且对入口2施加边界热通量。类似地,在出口处施加流出条件,而在其他边界处施加另一个热通量条件,以解释在绝缘不良情况下的热量损失。

评估3个研究的模拟结果

一旦考虑了所有物理原理并建立了模型,就可以按照以下顺序在三个研究中为每个物理场接口求解模型:

  1. 流体流动
  2. 热源
  3. 准平稳温度

让我们来看一下研究结果。

对于流体流动的研究,您可以使用恒定的入口温度,以便通道中具有恒定的均匀温度和冷却流体特性。在下面的曲线图中,您可以看到通道中的压力损失,这些损失可用于优化电池的流量泵。

在COMSOLMultiphysics®中建模的流动室中的压力图。
流动室中的压力图。

第二个研究使用瞬态研究步骤计算了电池的平均热源,解决了电化学问题。该研究预期运行时间为 60s,它假设一维电池模型中的温度恒定,并且等于冷却液的入口温度。左下方是电池温度,最高和最低温度之间相差约3K。在这里,我们可以看到不同电池间的温度变化小于单个电池内的温度变化。右下方的冷却液温度与预期的一样,显示温度略低于电池中的温度,并且与整个电池组的温度分布一致。

整个电池组模型的温度模拟结果。

此外,对于以下结果中的第二组电池的温度,似乎散热片在此发挥了作用 —— 面向散热片的表面温度较低,并且在进口角处温度最低。

电池组中电池之间温度升高的模拟结果图形。
在面向散热片的表面和面向第三组电池的表面上的第二组电池的温度升高。

最后,准静态研究步骤使用第一个研究的流速和第二个研究的平均热源得出以下结果:通过评估截面中穿过散热片中间的速度大小(如下所示),我们可以看到不同通道的流量分布是均匀的。由于总流量高,停留时间短,因此电池组在负载变化后很快达到准静态温度。

散热片中速度幅度的曲线图。
散热片中的速度大小,显示流量在五个通道之间均匀分布。

通过对锂离子电池组中的液体冷却过程进行时间和温度分析,可以改善热管理并优化电池组设计

下一步

单击下面的按钮,您可以自己尝试为液冷式锂离子电池组建模。之后您会进入到案例库,在那里您可以下载PDF文档,并使用有效的软件许可证下载 MPH 模型文件。


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