鋰電池組熱性能的研究

電動(dòng)汽車已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車，但其性能對溫度敏感。由于充電量、循環(huán)持續(xù)時(shí)間和安全性，充電能力、壽命保險(xiǎn)和安全等直接受溫度的影響。動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中,工況復(fù)雜,環(huán)境惡劣,電動(dòng)汽車在行駛過程中,在啟動(dòng)、加速、爬坡等高負(fù)荷運(yùn)行時(shí),充放電電流大,從而產(chǎn)生大量熱量,電池組內(nèi)局部溫度升高劇烈,一方面造成電池溫度過高,另一方面引起電池溫度分布極不均勻,使不同的單體電池間性能產(chǎn)生差異,從而進(jìn)一步導(dǎo)致電池組的過早失效對于電池的熱管理研究已經(jīng)非常多,主要集中在保溫/導(dǎo)熱方式及材料方面,以及動(dòng)力電池?zé)犭娀瘜W(xué)-耦合特性方面。廣東工業(yè)大學(xué)的張國慶等能夠?qū)崿F(xiàn)電池?zé)峁芾碛行缘年P(guān)鍵點(diǎn)之一是能夠準(zhǔn)確測量鋰離子電池的溫度,獲得電池在工作狀態(tài)下的特征位置的特征值,應(yīng)用于熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作,因此研究動(dòng)力電池組不同位置的溫度特性尤為重要。另一方面,由于熱傳導(dǎo)等原因,電池的溫度表現(xiàn)往往滯后于電池實(shí)際工況,單純將對溫度的測量作為熱管理策略的判斷條件,會(huì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象,因此通過與工況相結(jié)合的主動(dòng)式管理,能夠更好地實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾?。因此研究?dòng)力電池典型位置的溫度特性,研究動(dòng)力電池不同工況下的溫度特性對于動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和控制策略,具有重要的意義。1測試方法及參數(shù)選取三元(NCM)軟包與方形動(dòng)力電池模組。動(dòng)力電池單體樣品信息如表1所示。電池模塊的連接方式均為1并5串。實(shí)驗(yàn)采用Bitrode廠家FTV3-100/10-60型號的充放電設(shè)備,電流范圍±100A,主通道電壓范圍0～60V,輔助電壓通道0～5V。動(dòng)力電池充電流程:蓄電池以1I動(dòng)力電池放電流程:蓄電池充滿電后,分別以0.5I測試中使用的溫度傳感器為Omega廠家的K型熱電偶,型號為TT-K-24-SLE-1000,最大熱電偶極溫度范圍為-270～1372℃,標(biāo)準(zhǔn)誤差限-200～2000℃(根據(jù)使用的傳感器而有差異),1波段(K,J,E,T,N,R,S,B),最高分辨率0.1℃。實(shí)驗(yàn)采用HIOKI廠家的數(shù)據(jù)采集器,型號為8430-21,電壓量程為100mV～60V。由于所使用的電池分別為軟包和方形電池,所以在溫度傳感器布置位置上略有不同,圖1和圖2分別為兩種電池溫度傳感器布置位置示意圖。2放電電流對電池溫升的影響首先研究了30Ah軟包電池分別在15、30、45、60A電流恒流放電時(shí)的溫度特性。圖3展示了在這一過程中電池的不同位置的不同溫度特性,不同放電電流所引起的電池溫度變化也不相同?？梢钥吹?隨著放電電流的增大,電池溫度的升高幅度越來越大,同時(shí)電池不同位置的溫度差異也越來越大。在15A恒流放電時(shí),可以看到電池的最高溫度是T從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,隨著放電電流的增大,電池組在放電結(jié)束時(shí)的溫度逐步增高。電池的最高溫度出現(xiàn)在電池組中間部位的T研究了70Ah方形電池分別在35、70、105、140A電流恒流放電時(shí)的溫度特性。圖4展示了在這一過程中電池的不同位置的不同溫度特性,不同放電電流所引起的電池溫度變化也不相同?？梢钥吹?隨著放電電流的增大,電池溫度的升高幅度越來越大,同時(shí)電池不同位置的溫度差異也越來越大。在35A恒流放電時(shí),可以看到電池的最高溫度是T從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,隨著放電電流的增大,電池組在放電結(jié)束時(shí)的溫度逐步升高。當(dāng)放電電流較小時(shí)(0.5C、1C),電池的最高溫度為T圖5為電池組以70A恒流充電時(shí)的溫度分布曲線,電池的最高溫度T電池在充放電過程中的產(chǎn)熱主要包括化學(xué)反應(yīng)熱、極化熱、副反應(yīng)熱、歐姆熱。其中化學(xué)反應(yīng)熱基本保持不變,屬于材料的本征屬性。極化熱是由于電極電勢偏離穩(wěn)態(tài)電勢而引起的,而隨著電流的增大,電池極化增大,因此極化熱會(huì)隨著放電電流的增大而增大。副反應(yīng)熱與副反應(yīng)有關(guān),在允許的充放電電壓區(qū)間內(nèi)和工作溫度范圍內(nèi),電池副反應(yīng)極微弱,會(huì)隨著電池極化的增大而增大。歐姆熱主要是由電池組的各部分電阻(連接電阻、集流體電阻、接觸電阻等)所引起的,在一定的范圍內(nèi),電池的電阻不變,隨著電流的增大,雖然電池整體的歐姆熱不會(huì)有明顯變化,但是電池的歐姆熱功率會(huì)明顯增大。當(dāng)電流較小時(shí),電池的整體產(chǎn)熱功率較小,而越靠近電池組邊界的位置,散熱條件越好,導(dǎo)致電池組中間部位的T當(dāng)電流升高到一定程度,由于接觸電阻和集流體電阻導(dǎo)致電池的電極處成為發(fā)熱功率最大的部位。正極采用鋁作為集流體和極耳,負(fù)極采用銅作為集流體和極耳,由于兩者的電阻特性,導(dǎo)致正極的整體溫升明顯高于負(fù)極。但是當(dāng)電流停止或者下降后,由于良好的導(dǎo)熱性和散熱條件,極耳處的溫度又會(huì)迅速下降至低于電池組其他位置的溫度。3電池內(nèi)溫度分布綜上所述,電池的溫度隨著充放電電流的增大而上升,同時(shí)溫度均勻性下降;當(dāng)電流較小時(shí),電池最高溫度分布在電池組中間不容易與外界發(fā)生熱交換的位置;當(dāng)電流過大或者極耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí),極耳處的溫度將會(huì)明顯高于電池其他位置溫度;由于方形電池具有導(dǎo)熱性能更好的金屬外殼,所以在一定條件下