重塑充电体验:电动汽车快速充电技术革新与电池热管理优化策略概览

科技   2024-10-21 22:44   浙江  

摘要 - 锂离子电池(LIBs)是电动汽车的高效储能系统,但效率受工作温度范围影响。快速充电产生的大量热量会使电池温度失控,导致热失控,还会加速电池老化、降低电池容量。因此,有效的先进电池热管理系统(BTMS)对确保LIBs的性能、寿命和安全至关重要,特别是在极端充电条件下。本综述介绍了LIBs在快速充电期间的最新热管理策略,讨论了快速充电产生的热量导致的严重热问题及其对LIBs的影响,并基于2019 - 2024年的研究提出了先进的冷却策略,最后提出了下一代BTMSs的关键发现和潜在发展方向,为开发可靠高效的LIBs快速充电BTMSs提供建议和潜在解决方案。

1.简介

应用优势:锂离子电池因高功率密度、稳定性好、自放电率低、循环寿命长和无记忆效应,被广泛应用于电动汽车。     
温度要求:为实现最佳性能,锂离子电池应保持在25 - 40°C温度范围,电池模块内温度不均匀性应控制在5°C以下,否则电池性能会快速下降,寿命缩短,甚至在高温下发生热失控,引发火灾和爆炸。     
充电挑战:电动汽车的行驶里程受电池重量和充电时间限制,快速充电技术虽能减少等待时间、增加行驶里程,但快速充电时锂离子电池会产生大量热量,不均匀的发热会导致电池性能下降和安全问题,因此需要可靠的电池热管理系统(BTMS)。 

电池热管理系统的重要性及潜在风险

重要性:BTMS对优化电池在快速充电条件下的性能、安全和寿命至关重要。     
潜在风险:不当的电池热管理可能导致热失控,引发火灾或爆炸;许多BTMS使用的冷却液易泄漏,可能损坏电池组件或造成短路;部分冷却液或材料可能具有化学危险性、毒性或腐蚀性。 

先进电池热管理系统的研究现状及本综述的目的

研究现状:近年来,直接液体冷却(浸没冷却)和相变材料(PCM)作为先进的BTMS受到关注,直接液体冷却的传热系数优于PCM冷却,浸没冷却可提高传热效率、防止热失控传播、简化设计、降低成本等。目前大多数综述关注电池放电条件下的热管理研究,虽有一些关于电池快速充电热管理的综述,但主要关注传统冷却方式(间接冷却),缺乏对先进冷却策略(PCM冷却和直接冷却)的分析和评估。     
本综述目的:本综述收集了使用先进冷却策略(PCM和直接液体冷却)时电池在快速充电期间行为的主要研究,包括介绍锂离子电池在快速充电时的热特性,研究先进冷却策略以及总结要点和提出建议。

表1.关于快速充电过程中电池热管理的最新综述。

2.快速充电过程中的电池热问题

锂离子电池充电/放电过程中的发热损失

发热原因及计算:锂离子电池在充电/放电过程中因内部电化学反应产生大量热量,热量产生速率与C率(充电或放电电流大小)有关,C率越高,热量产生越快。电池总发热量(Q_{gen})由可逆发热(Q_{rev})和不可逆发热(Q_{irr})组成,计算公式为:

   

温度影响及散热需求:电池性能和寿命受温度影响,锂离子电池需保持在25 - 40°C温度范围且温度不均匀性控制在5°C以下,因此充电/放电过程中产生的热量需快速安全地从电池表面散发,否则可能导致热失控,引发火灾或爆炸,所以开发有效的电池热管理系统至关重要。

锂离子电池的热特性

快速充电时的温度变化:为与传统内燃机汽车竞争,电动汽车需发展快速充电技术,但快速充电时锂离子电池会产生大量热量,温度可能急剧上升,可达150°C甚至在几秒内达到500°C。
高温对电池的影响:高温会导致电池容量、性能和寿命下降,如功率和容量损失、自放电增加和循环寿命缩短,主要原因是锂损失和活性材料降解导致容量下降,高温下电池内阻增加导致功率损失。   
热失控及其危害:快速充电时不受控制的温度上升可能导致热失控,引发电池内部的放热连锁反应,造成电池结构变形、降解甚至完全破坏,还会使热量扩散到相邻电池,引发火灾,严重威胁电动汽车的安全。因此,在快速充电条件下,可通过应用高效的先进冷却策略解决锂离子电池的热管理问题。

3.电池快速充电热管理的先进冷却策略

间接液体冷却

冷却方式:通过冷却板进行间接液体冷却,冷却液不直接接触电池。

图1.并联液冷电池模块示意图。

研究成果

多种冷却结构和策略被研究,如七通道冷却板、迷你通道结构、双层冷却结构等,这些策略能够有效控制电池温度,提高充电效率,降低温度不均匀性。

图2:配备冷却板的3P1S电池模块型号。

图3.基于AgO纳米流体的间接冷却电池模块建模。

优化设计因素,如通道深度、宽度和结构,可进一步提高冷却效率和电池性能。

图4.快速充电条件下袋式电池模块热管理中(a)底部冷却和(b)两侧冷却的建模。

直接液体冷却

冷却方式:冷却液直接接触电池表面,包括浸没冷却和其他直接接触冷却方式。

图5.介电流体浸没冷却和混合冷却示意图。

研究成果

不同的冷却流体,如介电流体、氟醚冷却剂、FS49流体等,被应用于直接液体冷却,能够有效地降低电池温度,提高冷却效率。

图6.(a)传统底部冷却板和(b)混合浸没冷却结构的建模。

图7.浸液冷却电池模块的建模。

图8.往复式浸液冷却实验系统的示意图。

一些创新的冷却结构,如带有散热片、隔板和聚合物材料热交换器的混合冷却结构,展示了更好的冷却性能。

图9.基于直接两相制冷剂冷却的电池冷却系统图。

图10.气缸电池模块的两相冷却策略。

混合冷却

冷却方式:结合了液体冷却和相变材料(PCM)冷却或其他冷却方式的优点。

图11.基于底部冷却板和PCM的混合冷却示意图。

图12.3C快速充电电池模块的混合冷却与空气冷却和液体冷却的温度分布比较。

研究成果

多种混合冷却策略被提出,如冷却板、铝翅片和PCM相结合的策略,能够在不同充电速率下提供良好的冷却效果,控制电池温度和温度均匀性。

图13.(a)PCM板;(b)冷却板结构;(c)电池模块采用PCM冷却和冷却板液体冷却之间的混合冷却。

图14.绝热夹层混合冷却方法的建模。

图15.带PCM冷却的冷却板之间的混合冷却示意图。

优化PCM的参数,如厚度和熔化温度,以及调整冷却结构的配置,可以进一步提高混合冷却的性能。

图16.冷板和PCM混合冷却的建模。

图17.液体冷却与氧化石墨烯改性硅胶(GO-SG)结合的示意图。

4.总结

电动汽车电池热管理的重要性:电动汽车是应对气候变化和能源危机的潜在解决方案,锂离子电池是其可靠的储能系统,但快速充电产生的热量影响电池安全和效率,因此先进的电池热管理系统(BTMS)至关重要。本综述总结了过去5年电动汽车电池快速充电的先进BTMS研究,包括间接液体冷却、直接液体冷却和混合冷却策略。   
间接液体冷却:存在设计复杂、液体泄漏、腐蚀风险、能耗高、系统重量增加和维护成本高等问题,冷却结构与电池表面的大热阻降低了传热系数和冷却性能,未来在大容量电池组快速充电领域的应用需仔细研究评估。 
直接液体冷却:是一种受关注的先进电池热管理方法,液体直接接触电池表面,降低热阻,提高传热系数,提供优越的冷却性能。两相冷却机制的直接液体冷却散热效率优于单相和间接液体冷却,但大规模应用需深入研究性能参数关系,相关研究数据库可为下一代电池浸没冷却系统设计开发提供指导。  
相变材料冷却及混合冷却:PCM冷却利用固 - 液相变的高潜热吸收热量,具有良好散热性能和温度均匀性,且是被动冷却方法,可降低能耗和空间需求,但热导率低是挑战。混合冷却结合了液体冷却和PCM冷却的优势,是一种先进的电池热管理策略。

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