一種高倍率性能電池組技術(shù)研究

郝書奎+劉祖+胡博

摘 要：鋰電池作為一種新型能源廣泛使用于后備儲(chǔ)能、通信儲(chǔ)能、電動(dòng)車以及調(diào)頻領(lǐng)域，電池組作為電池系統(tǒng)的基本單元，決定著電池成組的特點(diǎn)以及電池系統(tǒng)的性能。結(jié)合鋰電在儲(chǔ)能調(diào)頻領(lǐng)域的應(yīng)用，研究開發(fā)了一種10C以上高倍率放電性能電池組，并通過對(duì)電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、放電熱分析和模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了電池組設(shè)計(jì)的合理性，從而為高倍率放電領(lǐng)域提供一種新型的電池組設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞：鋰電池；電池組；電池系統(tǒng)；通信儲(chǔ)能

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.118

1 高倍率儲(chǔ)能應(yīng)用概述

鉛酸電池受到能量密度小、功率密度低、放電深度淺、溫度范圍窄等性能的限制，且其鉛是重金屬，會(huì)污染環(huán)境，諸多不利條件導(dǎo)致鋰電池替代鉛酸成為了趨勢(shì)。高倍率儲(chǔ)能領(lǐng)域以調(diào)頻儲(chǔ)能和一些特種應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹?，目前，在此領(lǐng)域的應(yīng)用主要以超級(jí)電容或鈦酸鋰電池為主，超級(jí)電容由于其自放電大、體積大、能量密度低等特性局限，只能應(yīng)用在少數(shù)場(chǎng)合，而鈦酸鋰電池因成本高、能量密度低，導(dǎo)致其不能廣泛使用。功率型磷酸鐵鋰電池的成本低、能量密度高、溫度范圍大，適宜于高倍率儲(chǔ)能的應(yīng)用。由于鋰電池的性能和安全性受溫度的影響較大，因此，高倍率放電時(shí)的熱管理成為了重點(diǎn)。目前，鋰電池的倍率放電應(yīng)用大多在2C以下，而調(diào)頻領(lǐng)域要求倍率性能較高。本文闡述了一種滿足10C以上放電的電池組設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)方案目前在國(guó)內(nèi)還沒有相關(guān)應(yīng)用可供查閱。

2 高倍率鋰電池組設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池組發(fā)展現(xiàn)狀

單體鋰電池具有優(yōu)異的性能，而動(dòng)力電池只會(huì)以電池組的形式出現(xiàn)。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，這些新型電池的優(yōu)良性能會(huì)大大折扣，這是因?yàn)殡姵亟M的一致性、熱處理、抗振性等較差。

目前，鋰電池在市場(chǎng)上應(yīng)用較多的領(lǐng)域有電動(dòng)車、儲(chǔ)能和通信領(lǐng)域，電動(dòng)車的空間有限、能量密度要求較高，一般的放電倍率都在1C以下；儲(chǔ)能領(lǐng)域以千瓦級(jí)和兆瓦級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)為主，比如張北風(fēng)光儲(chǔ)能示范項(xiàng)目、南網(wǎng)兆瓦級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目等都是0.3C或0.5C的放電倍率為主，涉及放電倍率較大的調(diào)頻領(lǐng)域還沒有成功應(yīng)用的案例；通信電源領(lǐng)域的放電倍率1C以下。因此，在調(diào)頻領(lǐng)域，大倍率（10C以上）放電性能電池組的研究在國(guó)內(nèi)尚屬空白。

2.2 鋰電池組設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

高倍率電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足以下6個(gè)原則：①所選電池應(yīng)具有高倍率放電性能；②采取一定的溫控措施，保證電池組工作在適宜的溫度范圍內(nèi)；③保證電池組一定的機(jī)械強(qiáng)度，滿足適宜環(huán)境下的振動(dòng)要求；④根據(jù)電力環(huán)境的使用要求，滿足絕緣要求和阻燃要求；⑤設(shè)計(jì)應(yīng)便于安裝和維護(hù)；⑥電池組之間應(yīng)便于串聯(lián)連接。

上述電池組設(shè)計(jì)的6個(gè)原則中，高倍率電池組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵或難點(diǎn)體現(xiàn)在②、③及④中。本文選用中航鋰電的某型號(hào)方形鋰電池對(duì)鋰電池組設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。

2.3 鋰電池組方案設(shè)計(jì)

在電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，電池工作溫度場(chǎng)控制是一個(gè)重要的研究方面，大容量、大功率的動(dòng)力鋰電池的性能對(duì)溫度變化的反應(yīng)尤為敏感，主要表現(xiàn)為大功率引起的高溫問題，會(huì)引起電池內(nèi)部電解液分解、SEI膜分解、電解液與正負(fù)極發(fā)生反應(yīng)等現(xiàn)象。優(yōu)化電池組結(jié)構(gòu)，使電池組工作在適宜的溫度場(chǎng)中，避免電池組出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象。鋰電池的熱管理要處理的核心問題為：如何避免鋰電池的熱失控。本方案主要從電池組結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，保證電池組工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，滿足電池組的公路和船舶運(yùn)輸強(qiáng)度要求。

2.4 電池模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1所示為電池組模塊，電池組模塊材料選用高強(qiáng)度塑料材料。電池組底部厚度加強(qiáng)，且布置有多條橫豎拉筋，箱體內(nèi)部預(yù)留電池安裝槽。為了減少電池組工作和運(yùn)輸過程中的振動(dòng)，電池安裝槽內(nèi)貼橡膠墊，側(cè)面板上增加多組筋板，前面板預(yù)留有風(fēng)扇安裝孔，電池組側(cè)面板上預(yù)埋有螺母。

2.5 電池模塊散熱分析

電池組中，每?jī)芍щ姵亻g都預(yù)留了間隙風(fēng)道，在前面板設(shè)計(jì)有大功率風(fēng)扇進(jìn)行抽風(fēng)，電池組尾部設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口，對(duì)應(yīng)電池之間的縫隙，進(jìn)而對(duì)每一支電池進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。因此，可以比較好地控制溫升。電池組設(shè)計(jì)和電池集成效果如圖2所示，其中，電池組面板上預(yù)留孔位安裝了風(fēng)扇，尾部預(yù)留了進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行冷卻。

圖3為電池組散熱分析，在氣流的入口和出口風(fēng)速相對(duì)較高。在電池縫隙中，風(fēng)速相對(duì)較低，電池箱內(nèi)最高風(fēng)速可達(dá)到2.67 m/s。由于電池的頂部和電池箱的側(cè)部縫隙相對(duì)較大，空氣阻力相對(duì)較小，因此，風(fēng)量在箱體的上部和側(cè)部分布相對(duì)較多，散熱效果良好。

2.6 電池模塊振動(dòng)分析

電池模塊在運(yùn)輸和實(shí)際工況下會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，電池模塊的振動(dòng)會(huì)使得電池極柱與銅排的連接松動(dòng)，導(dǎo)致電阻增大，接觸點(diǎn)溫升過高。而過高的電流可能熔斷連接松動(dòng)的銅排，且振動(dòng)較大時(shí)，電池模塊易被破壞。在不同工況下，需要進(jìn)行振動(dòng)性分析，確保在運(yùn)輸和實(shí)際工況下電池模塊的穩(wěn)定性。對(duì)電池模塊進(jìn)行垂直軸隨機(jī)振動(dòng)、橫側(cè)軸隨機(jī)振動(dòng)、縱向軸隨機(jī)振動(dòng)、運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)和實(shí)際工況船舶振動(dòng)分析，經(jīng)模擬仿真分析，該系統(tǒng)滿足振動(dòng)技術(shù)要求。電池模塊垂直軸隨機(jī)振動(dòng)如圖4所示，電池模塊橫側(cè)軸隨機(jī)振動(dòng)如圖5所示，電池模塊橫側(cè)軸隨機(jī)振動(dòng)如圖6所示，電池模塊運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)如圖7所示，電池模塊船舶振動(dòng)如圖8所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)完成的系統(tǒng)樣品進(jìn)行了振動(dòng)及溫升測(cè)試試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，樣品的結(jié)構(gòu)特性未發(fā)生變化，且充放電溫升及溫差幅度滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求，具體如圖9和圖10所示。

4 結(jié)論和展望

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該電池模塊具有能量密度高、散熱性能好、絕緣性能佳和運(yùn)輸維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，解決了磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)在高倍率調(diào)頻領(lǐng)域應(yīng)用的難題。

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