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银隆新能源国际储能研究院院长Brad Hanaue:热管理在大规模锂离子电池系统中的应用分析

北极星储能网  来源:北极星储能网    2018/4/2 11:18:33  我要投稿  

北极星储能网讯: 为助力中国储能企业与国际接轨,同时致力于推动中国储能产业机制的建立,实现储能技术商业化,中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE 2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。奥钛中国技术总工Brad Hanaue发表题为《热管理在大规模锂离子电池系统中的分析》的演讲,速记内容如下:

好,我们改变一下我们的速度,首先向大家介绍一下热管理在大规模锂离子电池系统中的重要性,这是我们的一个产品,而且也是逐步发展市场上急需的产品,所以有些时候被人们所忽视。我想热管理也是我们未来加以重视一点,首先介绍一下altalrnano,有助于了解电池起作用的过程。

接下来介绍一下热管理所面临的挑战,热的路线图以及热的产生,以及热转移的一些特征,另外对于热管理的系统设计,首先介绍一下altalrnano,altalrnano事实上德国一个州,我们生产在中国的邯郸,从一个矿产起家的。在2005年进行锂电子的开发,后来银隆获取大部分的股份,2008年我们已经私有化,现在百分之百属于银隆集团。

在altalrnano,我们主要投资并且生产高性能的纳米锂电池材料,提供高性能的电池系统以及科技,同时我们提供可再生的电网,包括工业、交通商业解决方案。比如说在这里看到一些储能的系统,这也是我们在全世界的储能系统。总的来说,我们也是受频次监管一个产品,在并网过程中有很多的项目,我们在PGM,在美国有三个系统,在不同的岛上,在夏威夷的岛上,当然也有一些挑战。另外我们在丹麦有我们的系统,另外在中国江北也有我们并网的项目。

altalrnano我们这个ALT关键技术是什么呢?首先最重要是安全,我们有一个非常长的循环和上面的周期,可以说是2.5万+的周期。同时可以看到电网级别的这样一个层面上,我们是3-6倍,比普通的锂电池实现深度的充放电。

另外我们的运营温度的范围是零下40度或者到65度,我们强调低温的充放能力,我们比其它的锂电池有优势的,因为在低温下其它锂电池是有问题的。但是我们技术充电的速度跟耗电的速度可以基本上一致。另外我们可以实现接近超电容器性能表现,然后在10秒钟能够上升到是5C,另外就是寿命,寿命可以在20年以上,然后生命周期的退化是小于2%。另外的话,我要谈一下这个电池系统它的功能,也就是说在储能系统设计的时候的话,都要哪些方面。我非常喜欢这个概念的话,就是一个叫能量缓冲系统,就是说,首先来说这个储电储尽可能的电,我们也需要把电能移进移出,我们需要功率,意味着产生热。因此的话,我们就需要一个能量缓冲的系统,而且它系一个更加有用的一种范式,我们要理解能量和功率之间的平衡,针对不同的应用。

当我们在设计的时候,我们要强调热管理,我相信如果在这个市场上现货的价值,想产生能够给你回报的市场,你就必须强调能量的进出,不光是储能,还要强调能量进出的问题。所以说我坚信最有效的设计,要有最高的所谓能量的通量。这样的话,你强调管理,才能从这里面获得更大的价值。

这是一个路线图,也是非常重要的一点,大家要关注这一点。第三点,不是跟电池系统有关系的,但是的话,没有它也不完整。第一个关键点,要知道产生多少热,要想做到这一点的话,我们要做非常好的特点的分析。包括由于寿命的老化带来一些效应,还有我们要做工作周期做分析。另外的话,它会对电池内部的话带来什么样的热的变化,包括在充电的状态当中,还有顺便热的特点,要把这个放在工作周期里面,要了解热的表现是什么样的?一旦我们了解这方面,了解了电池系统内部热的变化,我们要做高效率的设计,来保证整个电池系统都有安全的问。我们就要设计一个并行的电路来进行热排斥,而且的话,我们要采用FEA跟CFD的工具,有多少热会产生的话,我们要了解在静态状态时候,热会产生多少,同时的话,我们也要了解在充电的时候,它的电池的内部阻抗是什么样的,还有要分析电池的内部阻抗跟温度之间的关系,另外我们也要了解电池的开放线路它的电压跟SOC之间的关系。我们要了解电池内部阻抗跟OCV变化,由于寿命的变化的情况。同时的话要做工作周期的分析,以及所需功率跟时间之间的关系,以及带来的电池SOC的结果,电压、电流等等。

我们在这里面就列出来我们所分析获得一些数据,我们看到电压的曲线,当我们在内部阻抗方面,我们看到有充电跟放电的这一个阻抗的情况,就能告诉我们这个温度变化的情况。整个矩阵都要放在我们计算当中,在这个工作周期分析的话,我们就要了解功率相比时间的变化,我们看到这是非常很小的系统,我们要做600千伏的电压的分析。这时候会产生热,我们把功率相比时间来了解电压还有充电状态的变化,在左边我们看到有电压,这是用蓝线表示的,有两条红线的,蓝线表示电压的变化,是工作周期变化的情况,我们也需要两条红线的状态的分析。大家可以看到从电压的角度来讲,蓝链在我们所要求范围之内,在左边的话我们看到充电状态的时候电压的变化。

通过这样的分析我们可以看到,这个电池系统看上去在这个方面来说很合适的,热怎么样去逃出,我们要看一下热传递的行为,要了解温度的分布。我们去除这个热的时候都在发生什么样的情况,我们要看模块的水平上的情况,还有稳定状态下,还有顺电状态下热的情况,在静态情况下,我们设计一个模型,做了一个工矿,来了解热在这个模块里面。我们做了一个模块,把它设立起来,让我们了解来做一些预告分析,预告性的分析,来对模型的结果跟测试的结果做一个比较,这是比较的结果。这样的话我们有一个工具可以用来探索不同的工矿,而不需要对这个工矿做一个逐个的测试。

我们也做了一些创新,让大家看一下结果。这是一个叫气冷的模块,我们看到它的周边温度是41度,我们看一下在整个的工作周期里面,我们模拟是否跟测试的结果是一样的。而且的话,我们也就这个测试结果做了一个公试,公试的细节不再讲了。我们做了同样的测试,然后想把这个测试的结果放在一个模型里面,形成低线的系统,包括热阻抗和热电容做了一个联系,因此的话我们做了一个公试。在这个公试里面做每一个模块进行考量。如果做整体温度的情况,你要有不同的参数,代表模块的不同地方的参数,让我们了解什么地方出现更高的温度,这个模型有效性怎么样?我们看到预测有12度的温度的上升,大家看到这个线是曲曲折折的,但是我们预测温度上升12度。结果温度上升12.3度,非常重要他们这个曲线的变化,曲折的变化是非常吻合的。这样的话,我们就对温度的预测的话就更加有信心了,在这个工作周期里面,这是一个水冷的模块。

我们看到蓝线是我们的预测,红线是我们实际测试的结果,非常复杂的工作周期里面,我们还是能够把最高温度预测出来,不是静止状态下,而是顺便的工作情况预测出来。

我们怎么做到的?看到工作的周期,可以看到温度的变化,如何把这个热去掉,设计点在什么地方?因为热是一个变量,有高度变化的,我们如何来把它放到设计里面,来建立设计点,一旦我们了解了复杂的工作周期跟温度的变化,然后我们在计算就是稳态的热产生,什么样的形成了最高的温度,我们就找到设计点做一个热管理系统,这样的话,我们就能够对热的波动做更好的管理,大家看到这里面的数据考虑到老化的过程带来的变化。因此热管理系统的话,要做得非常好,要考虑到整个系统的老化的过程带来热的变化,温度的变化。

这是两个关键点,是希望大家记住的,首先的话我们了解电池的特点,热是如何释放出去的,如何进行管理。然后通过工程设计,这里面是一个例子,我们看到单元里面有哪些点,当然这里是共同作用,来实现这个热的释放。这里面有一个例子,就是里面放了一些所谓的冷度层,冷度层就是CFEA,让这个热有效的释放。在这个系统里面分了很多层,在这个之间有冷度层,我们来分析,如何来进行管理,保证这个系统里面的温度有更加平均的分配。作为总结,就是储能系统只要带来经济价值能产生热,这是我的经验告诉我的。未来管理热的话,储能系统的特点,包括在电池层面上热的产生,以及局部的热传递的路径来排斥这些热。一旦这个电池跟模块的特点分析做完了以后,我们在系统的层面上做一些热管理的设计,这方面要特别的关注,这样的话对热管理带来非常好的效果,谢谢大家。

以上发言未经嘉宾审核发布。

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