一种高倍率性能电池组技术研究

郝书奎+刘祖+胡博

摘 要：锂电池作为一种新型能源广泛使用于后备储能、通信储能、电动车以及调频领域，电池组作为电池系统的基本单元，决定着电池成组的特点以及电池系统的性能。结合锂电在储能调频领域的应用，研究开发了一种10C以上高倍率放电性能电池组，并通过对电池组结构设计、放电热分析和模拟实验，验证了电池组设计的合理性，从而为高倍率放电领域提供一种新型的电池组设计方案。

关键词：锂电池；电池组；电池系统；通信储能

中图分类号：TM912 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.06.118

1 高倍率储能应用概述

铅酸电池受到能量密度小、功率密度低、放电深度浅、温度范围窄等性能的限制，且其铅是重金属，会污染环境，诸多不利条件导致锂电池替代铅酸成为了趋势。高倍率储能领域以调频储能和一些特种应用领域为主，目前，在此领域的应用主要以超级电容或钛酸锂电池为主，超级电容由于其自放电大、体积大、能量密度低等特性局限，只能应用在少数场合，而钛酸锂电池因成本高、能量密度低，导致其不能广泛使用。功率型磷酸铁锂电池的成本低、能量密度高、温度范围大，适宜于高倍率储能的应用。由于锂电池的性能和安全性受温度的影响较大，因此，高倍率放电时的热管理成为了重点。目前，锂电池的倍率放电应用大多在2C以下，而调频领域要求倍率性能较高。本文阐述了一种满足10C以上放电的电池组设计，此设计方案目前在国内还没有相关应用可供查阅。

2 高倍率锂电池组设计

2.1 锂电池组发展现状

单体锂电池具有优异的性能，而动力电池只会以电池组的形式出现。在使用过程中发现，这些新型电池的优良性能会大大折扣，这是因为电池组的一致性、热处理、抗振性等较差。

目前，锂电池在市场上应用较多的领域有电动车、储能和通信领域，电动车的空间有限、能量密度要求较高，一般的放电倍率都在1C以下；储能领域以千瓦级和兆瓦级储能系统为主，比如张北风光储能示范项目、南网兆瓦级储能项目等都是0.3C或0.5C的放电倍率为主，涉及放电倍率较大的调频领域还没有成功应用的案例；通信电源领域的放电倍率1C以下。因此，在调频领域，大倍率（10C以上）放电性能电池组的研究在国内尚属空白。

2.2 锂电池组设计关键技术

高倍率电池组结构设计需要满足以下6个原则：①所选电池应具有高倍率放电性能；②采取一定的温控措施，保证电池组工作在适宜的温度范围内；③保证电池组一定的机械强度，满足适宜环境下的振动要求；④根据电力环境的使用要求，满足绝缘要求和阻燃要求；⑤设计应便于安装和维护；⑥电池组之间应便于串联连接。

上述电池组设计的6个原则中，高倍率电池组设计的关键或难点体现在②、③及④中。本文选用中航锂电的某型号方形锂电池对锂电池组设计过程中的关键技术进行了分析。

2.3 锂电池组方案设计

在电池组的结构设计中，电池工作温度场控制是一个重要的研究方面，大容量、大功率的动力锂电池的性能对温度变化的反应尤为敏感，主要表现为大功率引起的高温问题，会引起电池内部电解液分解、SEI膜分解、电解液与正负极发生反应等现象。优化电池组结构，使电池组工作在适宜的温度场中，避免电池组出现热失控现象。锂电池的热管理要处理的核心问题为：如何避免锂电池的热失控。本方案主要从电池组结构方面进行了设计，保证电池组工作在适宜的温度范围内，满足电池组的公路和船舶运输强度要求。

2.4 电池模块结构设计

图1所示为电池组模块，电池组模块材料选用高强度塑料材料。电池组底部厚度加强，且布置有多条横竖拉筋，箱体内部预留电池安装槽。为了减少电池组工作和运输过程中的振动，电池安装槽内贴橡胶垫，侧面板上增加多组筋板，前面板预留有风扇安装孔，电池组侧面板上预埋有螺母。

2.5 电池模块散热分析

电池组中，每两支电池间都预留了间隙风道，在前面板设计有大功率风扇进行抽风，电池组尾部设置有进风口，对应电池之间的缝隙，进而对每一支电池进行强制风冷。因此，可以比较好地控制温升。电池组设计和电池集成效果如图2所示，其中，电池组面板上预留孔位安装了风扇，尾部预留了进风口进行冷却。

图3为电池组散热分析，在气流的入口和出口风速相对较高。在电池缝隙中，风速相对较低，电池箱内最高风速可达到2.67 m/s。由于电池的顶部和电池箱的侧部缝隙相对较大，空气阻力相对较小，因此，风量在箱体的上部和侧部分布相对较多，散热效果良好。

2.6 电池模块振动分析

电池模块在运输和实际工况下会出现振动，电池模块的振动会使得电池极柱与铜排的连接松动，导致电阻增大，接触点温升过高。而过高的电流可能熔断连接松动的铜排，且振动较大时，电池模块易被破坏。在不同工况下，需要进行振动性分析，确保在运输和实际工况下电池模块的稳定性。对电池模块进行垂直轴随机振动、横侧轴随机振动、纵向轴随机振动、运输随机振动和实际工况船舶振动分析，经模拟仿真分析，该系统满足振动技术要求。电池模块垂直轴随机振动如图4所示，电池模块横侧轴随机振动如图5所示，电池模块横侧轴随机振动如图6所示，电池模块运输随机振动如图7所示，电池模块船舶振动如图8所示。

3 试验验证

对完成的系统样品进行了振动及温升测试试验，经试验验证，样品的结构特性未发生变化，且充放电温升及温差幅度满足设计技术要求，具体如图9和图10所示。

4 结论和展望

经试验验证，该电池模块具有能量密度高、散热性能好、绝缘性能佳和运输维护方便等优点，解决了磷酸铁锂电池系统在高倍率调频领域应用的难题。

参考文献

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