详情

原文传递 18650型动力电芯热-电特性及模组热管理技术研究

论文题名：	18650型动力电芯热-电特性及模组热管理技术研究
关键词：	电动汽车;锂离子动力电池;热管理系统;动力电芯;热-电特性
摘要：	作为新能源汽车“心脏”的动力电池组，其热安全问题一直以来制约着电动汽车的发展。电池模组高倍率和/或长时间放电过程中产生的热量必然引起电池内部温度不断升高，电芯散热边界条件的差异还会造成模组内电芯温度差过大，加剧模组使用过程中电芯各种性能的不一致性，从而使得电池服役性能严重降低;另一方面，热量的迅速集聚将会形成恶性循环，最终导致电池模组热失控，甚至引起燃烧爆炸等严重灾害事故。因此，解决锂离子动力电池成组使用过程中的热安全问题，是电动汽车取代燃油汽车进程中的关键。构筑与动力电池模组相匹配的高效热管理系统可以快速降低电池包的温度及电芯间的温差，最终提升其热安全性。　　构成模组的电芯决定着模组的基础性能，而作为最早推向市场、工艺最成熟稳定的18650型电芯，已纳入以特斯拉为代表的许多电动车企首选的技术路线之中。本论文旨在分析电芯不同工况下的产热效应及其与电化学性能的关联性，并以此为基础设计与之匹配的机械电子结构和电池热管理材料及方案，将为该类电芯的产业化应用及电池模组热管理系统设计提供系统的基础数据和理论指导。　　本论文研究内容及主要结论: 　　1、在评估目前市场上磷酸铁锂和三元系18650动力电芯的基础上，分别选取了由国内和国外知名电芯厂家的两种具有代表性的电芯产品进行研究。主要分析它们在不同工况下的产热效应，研究环境温度和放电电流对于电芯热-电特性的影响，并将这些电芯在过度充电、高/低温环境下的电化学性能衰减与产热加剧现象进行关联，进一步从电极材料微观角度分析其原因和规律，揭示电极材料微观热电化学特性与电池模组宏观产热规律关联性。结果表明(1)两种18650动力电芯的普遍现象是，在相同的放电电流下，高温环境导致电芯内部电化学反应加剧，产热速率上升，电芯最高温度升高。无论是在室温还是高温工况下，国产电芯的温升速率均高于进口电芯，尤其在高倍率放电时，这一现象更为突出。例如，55℃高温工况下，磷酸铁锂系国产O款和进口A款电芯10C高倍率放电时，最高温度分别达到69.8℃和65.5℃，而室温工况下分别达到49.2℃和44.0℃，温升曲线斜率分别达到0.074℃/s和0.056℃/s.(2)-20℃低温工况下国产和进口电芯电化学性能均较室温大幅度衰退，且国产及进口电芯差异十分明显，主要表现在国产电芯放电时间的缩短和容量的减小，电化学性能衰退更加严重。低温3.0C放电时国产电芯几乎没有正常的放电电压平台，几乎失去电化学储能能力。例如对于磷酸铁锂系电芯，低温工况下当放电倍率分别为0.5C、1.0C和3.0C时，进口A款电芯的放电容量比分别为55.17％、46.59％和28.25％，而国产O款的放电容量比分别为7.4％、6.16％和2.65％。(3)当模组管理系统失效时会不可避免地导致部分电芯发生过充现象，为模拟这一现象，我们进行了人为过充实验。结果表明过充行为导致电芯的容量衰减速率增大、直流内阻、交流阻抗、产热速率增加，进一步导致电芯的产热效应加剧和内部的热量集聚，电芯的充电电压平台上升，放电电压平台降低。(4)微观形貌表征发现过充行为引起了电极材料的活性物质发生明显的团聚，严重阻碍了充放电过程中的嵌锂/脱锂过程，进而导致电化学性能的衰减; 　　2、制备了一种氮化铝(Aluminium Nitride，ALN)/石蜡/石墨/环氧树脂复合相变材料，着重研究了AIN含量对所制备复合材料的机械、热学性能的影响。结果表明，在所进行的实验范围内AIN含量的增加有助于复合材料的导热性能、机械强度及电绝缘性能提升。当AIN质量比例为20wt％时，复合材料的导热系数达到最大值4.331W·m-1·K-1，相变潜热为116.61J/g;体积电阻率达到最大值，为26.62×1011Ω·cm;与未添加A1N的复合材料相比，材料的拉伸、弯曲和冲击强度分别提升164.2％、67.6％和38.1％;经高温工况下800小时不问断循环测试，20wt％AIN复合材料的析出率达到最低值，为4.59％;AlN提升了材料的热稳定性。　　3、为构建模组热管理系统，开发了一种导热绝缘高分子骨架/固液相变复合模块。这一结构可以大幅度提高相变材料模块自身的安全系数，如抗泄露、抗形变、抗膨胀等问题。选择注塑成型工艺设计加工两款高导热绝缘骨架A款和B款，对两款材料的物理性能、导热性能、机械性能和电绝缘性能进行测试评估，筛选性能较好的材料用于复合相变材料导热模块的封装及电池组的散热性能测试。结果表明B款骨架由于特殊功能添加剂的加入，导热性能、机械性能和绝缘性能优于A款。分别施加500和1000V电压，并测试A款和B款高分子骨架的绝缘性能的两个技术指标，一个是体积电阻率，一个是表面电阻率，考察结果表明两款材料的电绝缘性能均达到了绝缘材料绝缘等级; 　　4、研究了两种18650电芯组成30个电池模组的热管理方案。将复合相变材料应用于两种18650动力电池组，通过45℃条件下的恒流放电和大电流充放电循环实验，分析对比电池组放电过程中的散热性能，评估两种散热方式的控温和均温能力。结果表明(1)相变材料热管理系统可以确保电池组的热量快速耗散并保持电芯间良好的温度一致性，尤其大倍率恒流放电和循环实验中，控温和均温能力更加显著。对于磷酸铁锂系动力电池组，3C恒流放电时相变材料使电池模组的最高温度不超过50℃，最大温差控制在2℃以内，即使在66A大电流循环试验中，最大温差仍然可以控制3℃以内。对于三元系进口S款电池组，66A循环试验时空气冷却时最高温度高达88.18℃，而PCM冷却时最高温度达到下降了15.44℃，电池模组组的最大温差始终均衡在5℃以内。　　(2)对于三元和磷酸铁锂电池模组，相同的放电电流下，前者产热和温升均高于后者，因此三元系电池模组对于电池热管理技术的需求，必要性更大。　　本论文创新点: 　　1、通过系统研究国产和进口18650动力电芯的产热行为和高低温倍率特性，为后续电芯的成组使用及电池模组热管理系统设计提供基础数据; 　　2、将原本成熟应用于电子材料封装领域的A1N/环氧树脂复合材料首次应用到动力电池散热领域，通过与相变材料结合，制备出AlN/石蜡/石墨/环氧树脂复合材料; 　　3、设计了一种导热绝缘高分子骨架/复合相变材料散热方案，用于解决复合相变材料泄露、机械强度差、防护等级低等问题，其控温和均温性能优异;
作者：	张江云
专业：	材料科学与工程
导师：	张国庆
授予学位：	博士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文