鋰電池組
關注創建者：carcarcar 創建時間：2021-08-31
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關于 ECM 鋰離子電池、單節電池和電池組（帶冷卻和不帶冷卻）的 CFD 仿真
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鋰電池組的實例教程
基于comsol的鋰電池組電化學耦合風冷相變分析 ￥2500
</p><p><br></p><p>4相變材料在動力鋰電池包內的應用</p><p>4.1 鋰電池熱管理系統對相變材料的要求</p><p>相變溫度低，需要適應鋰電池的最佳工作溫度區間15℃-35℃；</p><p>材料相變溫度小范圍內可以調節，不同類型電芯的最佳工作溫度區間并不完全一致；</p><p>材料定型形態，相變前后，最好不要出現液態氣態相；</p><p>材料潛熱大，則系統恒溫能力強；</p><p>材料絕緣性好，避免高壓系統出現絕緣漏電風險。</p><p>相變材料質量密度低，減小對電池包能量密度的影響。</p><p>滿足上述要求的材料體系并不多，其中石蠟-膨脹石墨是當前研究較多的一種。</p><p>4.2 石蠟-膨脹石墨的應用</p><p>相變材料在鋰電池熱管理系統中的應用，最早可以追溯到2004年，第一次應用于電動踏板車的溫控系統。此后，石蠟-石墨復合材料，石蠟-膨脹石墨復合材料逐漸被應用于鋰電池熱管理系統。</p><p>根據研究結果顯示，石蠟-膨脹石墨復合相變材料，可以將系統溫差降低至0.2攝氏度（沒有提供電池組的詳細參數，工況電流大小、電池型號等信息）。同時，研究還證明，相變材料，對于抑制熱失控的蔓延有良好效果。</p><p>石蠟-膨脹石墨復合材料，石蠟作為相變材料，負責熱量的吸收和儲存，實現溫控功能。石墨，具備微觀多孔結構。當石蠟相轉變成液態，石墨起到完美的吸附作用，避免材料出現液體狀態。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/201910/imgs/770d065aea014e13acf0c320c261db55.jpeg"></p><p>上圖為一個研究案例中，軟包電池之間夾層放置相變材料的實驗，兩側電芯的溫升明顯高于中間電芯。
展開 剝離過程中鋰的極化行為
本文的機理分析清晰地指出了鋰負極進一步優化的若干可能策略，包括最小化界面空隙，提高SEI層的離子導電性，改善鋰負極的制造工藝以減少非均一性等。
點評
馬里蘭大學莫一非教授向知社介紹：
實現可循環的鋰金屬電極一直被認為是鋰電池的圣杯，也是實現下一代高能量密度充電電池的關鍵。如何有效的沉積鋰金屬而不導致鋰枝晶的生長是一個十分重要而又懸而未決的問題。盡管文獻中報道了許多的實驗嘗試，但鋰金屬沉積和剝離的機理仍不清楚。
崔屹老師這組工作系統表征了不同的電解液以及各個因素對鋰金屬沉積和剝離的影響。Shi（2017）發現在不同條件下沉積的鋰金屬有著顯著不同的晶向和織構，會對沉積的鋰金屬形貌以及電化學性能有很大影響。這個發現揭示了鋰金屬的原子結構與形貌性能之間存在的關聯，對進一步理解鋰金屬沉積的機理以及最終實現可控的鋰金屬沉積有重要的意義。而Shi（2018）進一步揭示了鋰金屬通過固態電解質膜（SEI）的剝離機制，指出了SEI膜的結構與性質對于鋰金屬剝離的重要影響。這個發現對通過優化SEI來提高鋰金屬電極性能有重要的啟示。
這兩篇文章對于理解鋰金屬沉積和剝離的機理和進一步的鋰金屬電極研究有十分積極的意義和啟發。尤其值得借鑒學習的是在電化學測試的基礎上結合系統仔細的表征工作來提升對機制的理解。這組工作也為進一步通過理論計算揭示鋰金屬沉積剝離的原子級尺度機制提供了重要的實驗參考。
來源：知社學術圈
展開 不像我國從電池原材料到生產工藝還有待提高，電池一致性離散程度還比較大，主動均衡在動力型鋰電池組應用中會更適合。
被動均衡適合于小容量、低串數的鋰電池組應用，主動均衡適用于高串數、大容量的動力型鋰電池組應用。對BMS來講，除了均衡功能非常重要，背后的均衡策略更為重要。在電池單體的一致性差異在一定范圍內時，電池的電量和電壓成正相關；但是當電池的一致性差的遠，也就是有電池處于受損狀態時，電量和電壓相關性就沒那么強了，這時的均衡依據，就不能單以電壓這一數據來判斷。如果意識不到有電池損壞到臨界狀態以下，依然根據電壓均衡，反而會對電池造成傷害，尤其是主動均衡，因其電流大造成的傷害會比被動均衡更大。
電動自行車發展史上，有過“電池不是被用壞的，而是被充壞的”說法，電池損壞的矛頭指向了充電器廠家。不知電動汽車發展史上是否也會上演同樣的歷史：“電池不是被用壞的，而是被均衡壞的”。這值得所有BMS廠家提高警惕，均衡方式和均衡策略都需要重視。按華山劍派的說法，氣宗練氣是為了最后以氣御劍，心劍合一。比照起來，主動均衡和被動均衡都可以算劍宗，一個輕劍一個重劍，均衡策略算是氣宗。只有氣劍同練，才好在市場上華山論劍。
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展開 生活中常用的502膠水也能修補鋰電池嗎？
當今社會，可充電鋰電池已廣泛應用于手機、筆記本電腦、電動汽車等領域，與人們的日常生活密不可分。其中，鋰硫電池因其潛在的高能量密度（> 500 Wh kg–1）被認為下一代最具潛力的儲能技術之一。然而，鋰硫電池普遍使用易燃、易揮發的醚類物質作為電解液，一旦電池在封裝、運輸或使用過程中受損導致電解液泄露，將帶來巨大的安全隱患。
圖1 鋰硫軟包電池防泄漏機制示意圖
為消除此安全隱患，中國科學院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員課題組以生活中常用的502膠水的主要成分——氰基丙烯酸乙酯（PECA）為出發點，利用強親核性的硫化物快離子導體（Li6PS5Cl）進攻PECA獲得原位聚合大陰離子來調控醚類電解液的化學組成，組成的電解質具備三個突出特性：
（1）PECA的強極性基團可使電解液與軟包電池內包裝之間產生強的相互作用，通過氫鍵將電解液錨定在聚合物骨架上；
（2）電池受損后，空氣中的水分可催化聚合物進一步聚合為更大分子“粘合”傷口；
（3）PECA的強極性基團與多硫化物相互作用，抑制了多硫化物的穿梭效應；
（4）聚合物大陰離子與普通PECA相比，具備更好的鋰離子導電能力，確保電解液具有1.11 mS cm–1的高離子電導率。
四者相輔相成，實現了鋰硫電池防泄漏、高性能的目標。
展開 鋰離子電池（LIB）由于具有高能量容量、低自放電率和無記憶效應等優點，被廣泛用作電動汽車的儲能系統。然而，溫度嚴重影響鋰離子電池的容量和壽命。較低的溫度可能導致電池退化，而較高的溫度可能引發熱失控，從而造成安全隱患。
當前，對BTMS的研究根據冷卻方式主要分為風冷、液冷、相變材料（PCM）冷卻等三大類。風冷具有結構簡單、易于封裝、維護成本低、能耗低等特點。雖然提供相對較低的熱交換能力，但該冷卻系統在 LIB 系統中得到了很好的采用，對在較高電流速率下進行快速充電和放電操作的要求不高。液冷式一般傳熱系數較高，溫度分布均勻，根據電池表面是否與傳熱流體直接接觸，液冷方式一般分為直接接觸式和間接接觸式液冷。與間接接觸冷卻相比，直接接觸液體冷卻使用介電流體有效地去除電池熱量，具有很大的緊湊性和高冷卻速率，但在商業應用中可能不實用。另一方面，間接接觸冷卻更容易實施，并且使用較低粘度的流體以減少泵功率需求，并且已被廣泛采用和研究，具有液體冷板（LCP），波浪管和熱管。PCM 冷卻本身是一種被動熱管理類型，具有運行成本較低和溫度均勻性較高的優點。PCM 冷卻使用大量潛熱，這些潛熱可以存儲在材料中以維持電池溫度，并能夠降低 LIB 電池組的最高溫度和溫差。然而，純PCM由于導熱系數較低，容易產生過多的熱量積累，從而大大增加了熱系統的重量。將泡沫金屬和翅片應用于 PCM 被動冷卻中，以增強 PCM 的傳熱，證明 PCM、泡沫金屬和翅片的組合可以有效提高 LIB 的熱性能并將溫度保持在較低水平。在 PCM 壁上耦合了石墨烯增強的高導熱金屬隔板，該系統可以有效地將 4C 充電期間的最高溫度限制在 55°C 以下。
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油電混合的增程式動力設計，搭配磷酸鐵鋰電池組，一次可以連續工作超過100個小時。位置、速度、水量、工作狀態等運行數據，都能通過物聯網實時回傳到手機端，方便農戶遠程“指揮”。
該設備的技術指導、華北水利水電大學副校長馬建琴介紹，智能噴灌機器人的推廣，契合了當前農業高效灌溉的迫切需求。
關鍵特性與技術參數：
?毫歐級內阻（典型值0.025Ω至0.150Ω）
快速過流響應
自動復位能力
以及符合RoHS、Reach等環保與安全標準
電壓范圍覆蓋6V至9V
電流規格覆蓋0.1A至0.5A?
?典型應用場景：
?主要應用于對空間和功耗敏感的設備，如藍牙耳機、智能手環等可穿戴設備
以及智能手機、筆記本電腦的鋰電池組
USB端口（包括Type-C接口）
自恢復保險絲 - Low Loss NSML1505的特性：
表面安裝器件
標準1505密耳焊盤
用于自動組裝的表面貼裝封裝
與含鉛、無鉛焊料回流曲線兼容
自恢復保險絲 - Low Loss NSML1505的應用：
USB外設，包括新的USB3.0/2.0端口
鋰電子/鋰聚合物電池組
智能手機
平板電腦和筆記本電腦
電子閱讀器
液晶/LED HDTV
為滿足水下航行器的能量和功率需求，鋰電池組常采用單體密堆積方式成組，且水下航行器的電池艙段為密封環境，鋰電池組長時間高倍率放電所產生的熱量容易積累，導致部分單體電池溫度過高，發生內短路，進而引發熱失控[1]。因此，對水下航行器的電池艙段進行散熱設計及仿真分析，對保證水中裝備鋰電池組的安全可靠工作具備重要意義。
[12] 范光輝.基于多物理場耦合的鋰電池組散熱分析與實驗研究[D].湖南大學，2019.
[13] 萬亞坤，李陽春，車鵬磊.車用鋰電池組WLTC工況風冷散熱仿真分析[J].蓄電池，2020,57(6):266-269,274.
[14] 劉璐，王紅蕾，張志剛.鋰離子電池的工作原理及其主要材料[J].科技信息，2009,(23):454+484.
張繼華等運用COMSOL仿真平臺計算了21700圓柱鋰離子電池組5C充放電溫度場分布，得出交叉排列比平行排列的最高溫度更低、溫差更小，隨著單體間距的加大，電池組最高溫度降低。彭睿等對比平行順排和梯形叉排兩種散熱方案，發現梯形叉排散熱方案上游和中游處最高溫度下降更多、散熱均勻性更好，但下游處因排布間距小、熱量積聚，下表面散熱效果不如平行順排。
該標準制定時參考了IEC 61960-2∶2000《便攜式鋰電池和蓄電池組 第2部分: 鋰電池組》，用于便攜式設備的鋰離子電池及電池組，測試內容包括性能和安全，但只適用于21.6V和14.4V的電 池。
2006年，工業和信息化部頒發了QC/T 743《電動汽車用鋰離子動力蓄電池》，被行業內廣泛使用，并于2012年進行了修訂。
摘要： 六方溫度顯著影響電動汽車（EV）鋰離子電池組的能源效率、安全性、壽命和性能。快速充電（FC）時電池整體溫度高、溫差大，會導致性能下降，甚至發生熱失控等災難性故障。此外，電池組能量密度的增加限制了熱管理系統的空間。因此，我們開發了基于超薄熱接地層的 電池熱管理系統 （UTTGP-BTMS），它利用0.4毫米厚的新型UTTGP和空氣冷卻來散發電池之間間隙的熱量。
結果表明，添加阻隔材料的鋰電池組熱失控傳播得到抑制。Weng等的研究也表明復合相變材料熱失控阻隔技術能夠有效抑制熱失控傳播并限制火災載荷，對火災防控有重要意義。
3.2 鋰電池滅火技術
鋰離子電池滅火技術研究的重點主要是滅火介質的開發和利用，圖6為常見的鋰電池滅火介質效果和滅火策略。Xu等開展了二氧化碳、HFC-227ea、細水霧三種滅火劑抑制鋰電池火災的實驗研究。
然而，動力鋰電池組在行駛過程中總會產生不同程度的熱量。如果鋰離子電池產生的熱量沒有及時散發，電池的電化學性能會隨著熱量積累而下降。當這種積熱達到一定程度時，就會導致熱失控，甚至起火爆炸。因此，有必要對電池模塊提出有效的電池熱管理方法，以確保電池在正常的安全溫度范圍內運行。
根據傳輸介質的不同，目前已深入研究了空氣冷卻、液體冷卻和相變材料（PCM）冷卻三種冷卻方法。
