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不同放電倍率條件下的鋰電池濕度場(chǎng)剖析

2023-10-16 12:46:37信息公告63

引用本文請(qǐng)復(fù)制:d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

洪杰,孫明生,傅琰等.不同放電倍率條件下的鋰電池濕度場(chǎng)剖析[J].太陽(yáng)能,2022(1):20-33.d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

具有高容量、高能效比和良好循環(huán)壽命的鋰離子二次電瓶(下文簡(jiǎn)稱為“鋰電池”)是電動(dòng)車(chē)輛(EV)和混和電動(dòng)車(chē)輛(HEV)的主要電源。鋰電池的種類繁雜,隨著常年的研究與驗(yàn)證,一系列性能優(yōu)異的鋰電池漸漸被應(yīng)用于不同場(chǎng)合[1]。隨著可再生能源在發(fā)電領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,鋰電池作為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件,發(fā)揮著重要作用;但近日出現(xiàn)了一些因?yàn)殇囯姵毓ぷ鳉鉁厥Э囟l(fā)生火警車(chē)禍的案例,這種車(chē)禍對(duì)鋰電池在儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致了一定影響。安全性對(duì)于小型鋰電池而言尤為重要,為了提供足夠的容量,小型鋰電池一般由許多并聯(lián)聯(lián)接的單體電芯組成。這些配置從本質(zhì)上降低了鋰電池的熱容,而鋰電池的工作氣溫通常約為30℃,太高的工作氣溫會(huì)影響其使用壽命[2],因而在鋰電池的運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行熱管理至關(guān)重要。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

熱管理建模是了解設(shè)計(jì)和操作變量怎樣在充電和放電過(guò)程中影響鋰電池?zé)嵝袨榈挠行Х绞健5萚3]提出了電瓶系統(tǒng)的通常能量平衡公式。重慶交通學(xué)院的黃文才等[4]通過(guò)軟件對(duì)鋰電池進(jìn)行了三維建模,模擬了不同環(huán)境氣溫情況下鋰電池內(nèi)部的熱失控情況。李勝輝等[5]和周慶輝等[6]也通過(guò)軟件構(gòu)建了單體鋰電池和鋰電池模塊的氣溫場(chǎng)模型,并進(jìn)行了仿真剖析。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

本文的研究對(duì)象為特定的一批退役動(dòng)力鋰電池,針對(duì)其在梯次借助時(shí)不同場(chǎng)景下的可用性與安全性,進(jìn)行了不同放電倍率下的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn),觀察鋰電池的溫升變化規(guī)律。之后完善鋰電池的三維熱仿真模型,對(duì)鋰電池在常溫、自然散熱條件下以不同倍率放電時(shí)的氣溫場(chǎng)進(jìn)行了仿真,并根據(jù)鋰電池的理想工作氣溫范圍提出了其在常溫、自然散熱條件下充放電時(shí)的最大循環(huán)倍率,并在不同放電循環(huán)倍率下通過(guò)控制外界環(huán)境濕度或充放電循環(huán)次數(shù)使鋰電池內(nèi)部滿足合適的理想工作熱環(huán)境。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1鋰電池充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對(duì)鋰電池進(jìn)行不同放電倍率下的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn),以觀察鋰電池的溫升變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)選用的是北京電氣國(guó)軒新能源科技有限公司的標(biāo)稱電流為6.4V、標(biāo)稱容量為84Ah的退役鋰電池,該鋰電池的外部規(guī)格為205mm×87mm×154mm;內(nèi)部由8節(jié)矩形鋁殼單體電芯組成,采用“4并聯(lián)2串聯(lián)”的聯(lián)接形式,單體電芯的規(guī)格為100mm×20mm×150mm。實(shí)驗(yàn)用退役鋰電池的實(shí)物圖如圖1所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

本實(shí)驗(yàn)的充放電設(shè)備選用無(wú)錫拜特測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電瓶測(cè)試系統(tǒng),如圖2所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

實(shí)驗(yàn)中的測(cè)溫及顯示裝置選用系列紅外熱成像儀,顯示的鋰電池表面水溫(即其工作氣溫)情況如圖3所示。之后借助軟件對(duì)得到的鋰電池工作氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理,可以得到不同放電倍率下的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)中鋰電池的工作氣溫-時(shí)間曲線圖。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

不同放電倍率下鋰電池的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4所示。鋰電池及紅外熱成像儀周?chē)呐菽迨悄脕?lái)避免周?chē)矬w對(duì)紅外熱成像儀測(cè)溫形成影響。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.2實(shí)驗(yàn)方案d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

本實(shí)驗(yàn)采用的電瓶測(cè)試系統(tǒng)單通道的保護(hù)條件如表1所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

大量研究表明:相較于充電過(guò)程,鋰電池在放電過(guò)程中的生熱量更高。為此,在本充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn)中,將充電倍率統(tǒng)一控制為0.5C,主要通過(guò)改變鋰電池的放電倍率來(lái)研究其在工作過(guò)程中的氣溫變化情況。具體的實(shí)驗(yàn)流程為:d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1)將鋰電池靜置60s;d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2)對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流充電,充電電壓為30A,充電倍率為0.5C;d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3)將充電后的鋰電池靜置1800s;d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

4)對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流放電,放電電壓分別為30、45、60、75、90A,對(duì)應(yīng)的放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1.3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

通過(guò)對(duì)紅外熱成像儀拍攝的視頻進(jìn)行處理,將氣溫情況以折線圖的方式顯示,借此來(lái)剖析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中鋰電池工作氣溫(即其表面水溫)的變化情況。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對(duì)充電倍率均為0.5C,放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時(shí)鋰電池在1個(gè)充放電循環(huán)中的表面水溫變化情況進(jìn)行測(cè)試。其中,充電后的靜置時(shí)間均為1800s。不同放電倍率下,在1個(gè)充放電循環(huán)的不同階段鋰電池表面的氣溫?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果如表2所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

依照表2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可整理得出不同放電倍率下,在1個(gè)充放電循環(huán)的不同階段鋰電池表面的氣溫變化情況,具體如表3所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從表3可以看出,在1個(gè)充放電循環(huán)中,因?yàn)槌潆姳堵?、充電電壓相同,使鋰電池的生熱量近似,因而不同放電倍率下鋰電池表面的溫升在充電階段基本保持一致,靜置階段的溫降也基本一致。而在放電階段,隨著放電倍率的減小,鋰電池表面的溫升數(shù)值明顯減??;相關(guān)研究表明:鋰電池的理想工作氣溫范圍為25~40℃,而在大倍率(即1.5C以上)放電時(shí),鋰電池的工作氣溫將會(huì)超過(guò)理想工作體溫。因而,對(duì)常溫、自然散熱條件下的鋰電池進(jìn)行熱管理十分有必要。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2鋰電池濕度場(chǎng)的模擬剖析d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

熱量傳遞的基本方法有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱幅射這3種,而熱量在鋰電池內(nèi)部主要是以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行傳遞的[7]。為此,本文采用ANSYS模擬軟件中的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模塊對(duì)鋰電池的水溫場(chǎng)進(jìn)行仿真估算。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.2鋰電池?zé)峁芾斫Y(jié)構(gòu)仿真模型的構(gòu)建d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

本文借助ANSYS軟件對(duì)鋰電池進(jìn)行建模仿真,鋰電池的幾何模型如圖5所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

建模完成后,對(duì)估算域進(jìn)行網(wǎng)格界定,生成鋰電池的有限元模型。因?yàn)楸疚倪x用的鋰電池的幾何模型形狀簡(jiǎn)單,因而適合采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。鋰電池的網(wǎng)格界定結(jié)果如圖6所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.3單個(gè)充放電循環(huán)中、不同放電倍率下鋰電池的生熱氣溫場(chǎng)分布模擬d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

在單個(gè)充放電循環(huán)下,設(shè)置鋰電池的初始?xì)鉁貫?5℃,估算放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C,對(duì)應(yīng)的放電電壓分別為30、45、60、75、90A時(shí)鋰電池的生熱功率,具體結(jié)果如表4所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

鋰電池的單體電芯所用材料為鋁合金,鋰電池由鋁殼進(jìn)行包裹,鋰電池外部的對(duì)流傳熱介質(zhì)為空氣。通過(guò)查詢技術(shù)指南[9],可以得到鋰電池鋁殼及外部對(duì)流傳熱介質(zhì)的各項(xiàng)特點(diǎn)參數(shù),具體如表5所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對(duì)鋰電池進(jìn)行建模并完成網(wǎng)格界定后,首先借助前文實(shí)驗(yàn)中得到的單個(gè)充放電循環(huán)中靜置階段鋰電池表面的氣溫變化來(lái)確定鋰電池表面與空氣間的對(duì)流傳熱系數(shù)。當(dāng)靜置階段鋰電池的表面氣溫小于環(huán)境濕度時(shí),鋰電池會(huì)通過(guò)其表面與空氣的對(duì)流傳熱來(lái)形成溫降,而按照固定時(shí)間內(nèi)的溫降即可確定鋰電池表面與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù),本文取5W/m2。單個(gè)充放電循環(huán)中充電階段結(jié)束后,鋰電池的表面水溫為31.5℃時(shí),將其靜置1800s,之后對(duì)此時(shí)鋰電池表面的濕度進(jìn)行模擬,結(jié)果如圖7所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從圖7可以看出,當(dāng)對(duì)流傳熱系數(shù)設(shè)置為5W/m2時(shí),經(jīng)過(guò)靜置1800s后,鋰電池表面的體溫升高約1.005℃,與前文實(shí)驗(yàn)得到的鋰電池的平均表面溫降為1.128℃之間的偏差較小,滿足仿真需求。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

借助驗(yàn)證后的對(duì)流傳熱系數(shù)及估算得到的鋰電池生熱功率,對(duì)充電倍率為0.5C的恒流充電階段結(jié)束時(shí)的鋰電池非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱估算結(jié)果加以驗(yàn)證,以確定所構(gòu)建的鋰電池模型的確切性。充電倍率為0.5C恒流充電結(jié)束時(shí)鋰電池的生熱氣溫場(chǎng)和截面氣溫分布情況如圖8所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從圖8可以看出,鋰電池的熱仿真模型中,在充電倍率為0.5C的充電階段結(jié)束時(shí),鋰電池的表面水溫最高為31.464℃,相較于鋰電池的初始?xì)鉁?5℃,溫升為6.464℃,而前文實(shí)驗(yàn)中充電階段鋰電池表面溫升的平均值為6.51℃,兩者之間的偏差在5%以內(nèi),符合要求,這證明該鋰電池的模型仿真參數(shù)符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,滿足仿真要求。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

依據(jù)所構(gòu)建的鋰電池模型,在單個(gè)充放電循環(huán)中,充電倍率均為0.5C、充電時(shí)間均為7200s、充放電之間的靜置時(shí)間均為1800s的情況下,對(duì)放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C,對(duì)應(yīng)的恒流放電時(shí)間分別為7200、3600、2400、1200、900s時(shí)鋰電池的水溫場(chǎng)情況進(jìn)行了仿真。其他條件均一致,不同放電倍率時(shí)鋰電池的水溫場(chǎng)仿真結(jié)果如圖9~圖13所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由圖9~圖13的仿真結(jié)果可知,在單個(gè)充放電循環(huán)中,鋰電池的最高氣溫都坐落其內(nèi)部中心位置,而鋰電池殼體的4個(gè)角的氣溫最低;而且鋰電池的水溫是從內(nèi)部到外部日漸減少。對(duì)圖9~圖13得到的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,可以得到鋰電池在單個(gè)充放電循環(huán)中,充電倍率均為0.5C,放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時(shí),鋰電池的最高氣溫及最大溫升,具體數(shù)值如表6所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

鋰電池在實(shí)際工作過(guò)程中,其各單體電芯會(huì)由于形成劇烈的物理反應(yīng)而造成鋰電池內(nèi)部中心位置的氣溫最高,之后通過(guò)對(duì)流傳熱介質(zhì),以熱傳導(dǎo)的方法把熱量散出去,因而鋰電池的最高氣溫坐落其內(nèi)部中心位置,而鋰電池的最低氣溫坐落其殼體4個(gè)角的位置。這與仿真得到的結(jié)果一致。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

按照充電倍率均為0.5C的情況下不同放電倍率時(shí)鋰電池的水溫?cái)?shù)據(jù),由軟件擬合出鋰電池的溫升-放電倍率擬合曲線,如圖14所示。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

按照?qǐng)D14可發(fā)覺(jué),在充電倍率不變的情況下,單個(gè)充放電循環(huán)中鋰電池的溫升與放電倍率呈現(xiàn)出一定的二次關(guān)系。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

單個(gè)充放電循環(huán)中鋰電池的放電倍率與其溫升的關(guān)系式可表示為:d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

鋰電池的理想工作氣溫范圍為25~40℃,由式(3)可知,當(dāng)放電倍率在1.50C以上時(shí),鋰電池工作一段時(shí)間后其體溫將超出理想工作體溫的范圍。同時(shí),依據(jù)文獻(xiàn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可知,鋰電池安全放電時(shí)的最高氣溫限值為55℃。結(jié)合式(3)可知,在25℃自然散熱的條件下,單個(gè)充放電循環(huán)中鋰電池的最高放電倍率不宜超過(guò)2.74C。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.4不同放電倍率下鋰電池完成單個(gè)充放電循環(huán)后其體溫恢復(fù)至環(huán)境濕度所需時(shí)間的仿真d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

依據(jù)所構(gòu)建的鋰電池模型,對(duì)充電倍率均為0.5C,放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時(shí),鋰電池完成單個(gè)充放電循環(huán)后其體溫通過(guò)自然散熱回到環(huán)境濕度須要的時(shí)間進(jìn)行了仿真模擬。因?yàn)樵跓o(wú)限接近環(huán)境濕度25℃時(shí)鋰電池的d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

散熱過(guò)分平緩,近似取25℃的+2%作為偏差值,即降至25.5℃以下即覺(jué)得鋰電池的水溫回到了環(huán)境濕度。不同放電倍率下鋰電池完成單個(gè)充放電循環(huán)后其生熱氣溫場(chǎng)及濕度-時(shí)間曲線如圖15~圖19所示。圖中:藍(lán)色曲線為仿真模擬結(jié)果;紅色曲線為基于仿真模擬結(jié)果的平滑處理曲線。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從表7可以看出,在常溫、自然散熱條件下,不同放電倍率下鋰電池完成單個(gè)充放電循環(huán)后其體溫恢復(fù)至環(huán)境濕度所需時(shí)間均小于10h,時(shí)間較長(zhǎng),因而,在進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí),鋰電池的溫升將持續(xù)降低,這會(huì)嚴(yán)重影響鋰電池內(nèi)部的熱環(huán)境。綜上所述,對(duì)于連續(xù)充放電循環(huán)狀態(tài)下鋰電池的熱特點(diǎn)進(jìn)行研究的意義重大。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.5在連續(xù)充放電循環(huán)狀態(tài)下,不同放電倍率下鋰電池的水溫場(chǎng)分布模擬d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

對(duì)在連續(xù)充放電循環(huán)狀態(tài)下,充電倍率均為0.5C時(shí),不同放電倍率下鋰電池的水溫場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬,并針對(duì)鋰電池的熱管理提出了控制方式。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.5.1不同放電倍率下鋰電池的安全充放電循環(huán)次數(shù)d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由前文的研究結(jié)果可知,在單個(gè)充放電循環(huán)內(nèi),鋰電池的放電倍率小于1.50C時(shí)就會(huì)超出其理想工作氣溫范圍,但在連續(xù)充放電循環(huán)狀態(tài)下,鋰電池的水溫會(huì)持續(xù)上升。依據(jù)前文構(gòu)建的鋰電池模型,在25℃環(huán)境濕度,充電倍率均為0.5C,放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C的情況下,對(duì)鋰電池連續(xù)充放電循環(huán)后其體溫超過(guò)理想工作氣溫最高限值(40℃)時(shí)所須要的時(shí)間進(jìn)行了研究,結(jié)果如圖20所示。圖中:藍(lán)色曲線為仿真模擬結(jié)果;紅色曲線為基于仿真模擬結(jié)果的平滑處理曲線。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

從圖20可以看出:d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1)在充電倍率均為0.5C、放電倍率分別為0.50C和0.75C時(shí),鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后,其能達(dá)到的最高氣溫穩(wěn)定在36.455℃和39.167℃,不會(huì)超過(guò)理想工作氣溫最高限值(40℃)。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.00C時(shí),鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后充電電池串聯(lián)和并聯(lián)的區(qū)別,其氣溫將在第38756s,也即第4個(gè)充放電循環(huán)期間超過(guò)理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下,鋰電池的安全充放電循環(huán)次數(shù)為4次。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.25C時(shí),鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后,其氣溫將在第22501s,也即第2個(gè)充放電循環(huán)期間超過(guò)理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下,鋰電池的安全充放電循環(huán)次數(shù)為2次。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

4)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.50C時(shí),鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后,其氣溫將在第13184s后,也即第2個(gè)充放電循環(huán)期間超過(guò)理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下,鋰電池的安全充放電循環(huán)次數(shù)為2次。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.5.2鋰電池在理想工作氣溫范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí)的外界環(huán)境濕度條件剖析d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

不僅改變鋰電池的放電倍率外,外界環(huán)境濕度也是影響鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí)內(nèi)部熱環(huán)境的重要誘因之一。通過(guò)改變外界環(huán)境濕度充電電池串聯(lián)和并聯(lián)的區(qū)別,可以使常溫、自然散熱條件下超過(guò)理想工作氣溫范圍造成難以正常工作的鋰電池可以繼續(xù)正常工作。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由前文可知,在25℃的外界環(huán)境濕度下,放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時(shí)鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后其氣溫均會(huì)超出理想工作氣溫范圍。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

當(dāng)充電倍率仍為0.5C,將模擬時(shí)間設(shè)定為10個(gè)充放電循環(huán)所需的時(shí)間,對(duì)鋰電池連續(xù)充放電循環(huán)后可將其體溫控制在理想工作氣溫范圍內(nèi)的外界環(huán)境濕度進(jìn)行了模擬研究,得到了在此外界環(huán)境濕度下,放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時(shí)鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)后其氣溫-時(shí)間曲線,以及生熱氣溫場(chǎng)和截面氣溫分布情況,具體如圖21~圖23所示。圖中:藍(lán)色曲線為仿真模擬結(jié)果;紅色曲線為基于仿真模擬結(jié)果的平滑處理曲線。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

由圖21~圖23可知,在放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C的情況下,鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí)其體溫維持在理想工作氣溫范圍內(nèi)所須要的外界環(huán)境氣溫分別為23.5、20.4和16.6℃。由此可知,隨著放電倍率的減小,外界環(huán)境濕度需不斷增加;放電倍率由1.00C提高至1.25C時(shí),外界環(huán)境濕度需在放電倍率為1.00C時(shí)對(duì)應(yīng)值的基礎(chǔ)上再增加3.1℃,才可以使鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí)其體溫維持在理想工作氣溫范圍內(nèi);而放電倍率由1.25C提高至1.50C時(shí),外界環(huán)境濕度需在放電倍率為1.25C時(shí)對(duì)應(yīng)值的基礎(chǔ)上再增加3.8℃,才可以使鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí)其體溫維持在理想工作氣溫范圍內(nèi)。由此可見(jiàn),當(dāng)鋰電池的放電倍率均勻減小時(shí),為了使鋰電池體溫維持在理想工作氣溫范圍內(nèi),外界環(huán)境濕度的增加速度在不斷提高,需通過(guò)一定的通風(fēng)散熱舉措來(lái)減少外界環(huán)境濕度。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3推論d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

本文針對(duì)退役鋰電池在梯次借助時(shí)不同場(chǎng)景下的可用性與安全性,進(jìn)行了不同放電倍率下的充放電循環(huán)實(shí)驗(yàn),并觀察鋰電池溫升的變化規(guī)律;另外構(gòu)建了鋰電池的三維熱模型,對(duì)在常溫、自然散熱條件下以不同放電倍率放電時(shí)鋰電池的水溫場(chǎng)進(jìn)行了仿真,并按照鋰電池的理想工作氣溫范圍提出了其在常溫、自然散熱條件下的最大循環(huán)充放電倍率;最后研究了在不同放電倍率循環(huán)下通過(guò)控制外界環(huán)境濕度或循環(huán)次數(shù)使鋰電池內(nèi)部滿足合適的理想工作熱環(huán)境。研究結(jié)果表明:d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

1)在鋰電池單個(gè)充放電循環(huán)過(guò)程中,充電倍率不變時(shí),隨著放電倍率減小,鋰電池的最高氣溫也在不斷減小,需采取一定的散熱舉措將體溫控制在理想工作氣溫最高限值以內(nèi)。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2)在不同電壓硬度的恒流放電下,鋰電池的生熱功率不同,其最高氣溫也不同,從鋰電池內(nèi)部中心位置到其殼體4個(gè)角,氣溫漸漸減少。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

3)依據(jù)仿真結(jié)果,為了在安全可靠的條件下進(jìn)行梯次借助,在常溫25℃、充電倍率為0.5C的自然散熱條件下,該鋰電池進(jìn)行單個(gè)充放電循環(huán)時(shí),理想工作氣溫范圍內(nèi)的放電倍率不得超過(guò)1.50C;當(dāng)鋰電池放電倍率小于2.74C時(shí),鋰電池完成單個(gè)充放電循環(huán)的最高氣溫將超出安全限值,為此,若要延長(zhǎng)鋰電池的使用壽命,需將放電倍率控制在合理范圍內(nèi)。該鋰電池進(jìn)行連續(xù)充放電循環(huán)時(shí),為使放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時(shí)鋰電池內(nèi)部熱環(huán)境能保持在理想工作氣溫范圍內(nèi),充放電循環(huán)次數(shù)需分別大于4、2、2次;也可以通過(guò)一定的通風(fēng)散熱舉措將放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時(shí)的外界環(huán)境濕度分別降至23.5、20.4、16.6℃以下。d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

作者|洪杰,孫明生,傅琰,徐志成,王軍,梁巖d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

單位|1.山西省新能源開(kāi)發(fā)股份有限公司,d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

2.廣東省太陽(yáng)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西南學(xué)院能源與環(huán)境大學(xué),d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

來(lái)源|《太陽(yáng)能》雜志2022年第1期P20—P33d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

DOI:10.19911/j.1003-0417..05d2R物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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