純電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦匝芯?/h1>
熱設(shè)計(jì) 2022-01-30

傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的排放造成環(huán)境污染,引起了溫室效應(yīng)和全球變暖,近幾年來電動(dòng)汽車得到了前所未有的發(fā)展?動(dòng)力電池對電動(dòng)汽車的影響最大?鋰離子電池在工作中會產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象,而溫度是影響動(dòng)力電池性能的重要因素,會直接影響電池的性能?動(dòng)力電池的性能與環(huán)境溫度?電池本身的熱力學(xué)參數(shù)以及熱管理方法等密切相關(guān)?同時(shí),電池的容量特性?內(nèi)阻數(shù)值和開路電壓曲線是反映動(dòng)力電池性能的重要指標(biāo),也是參與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)?因此,分析鋰離子電池在不同環(huán)境溫度下的性能,對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)具有促進(jìn)效果,也對推動(dòng)高效清潔新能源汽車的發(fā)展具有重要的意義?

目前鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦韵嚓P(guān)的研究,主要集中在動(dòng)力電池的發(fā)熱?散熱模型的理論研究,以及動(dòng)力電池性能在不同環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)分析?并沒有將兩者結(jié)合,深入研究鋰離子動(dòng)力電池性能的重要指標(biāo)與電池發(fā)熱機(jī)理之間的聯(lián)系?本文以3.67V/50Ah三元鋰離子電池為研究對象,根據(jù)鋰離子電池的發(fā)熱機(jī)理,分析影響電池發(fā)熱的相關(guān)的因素,結(jié)合具體實(shí)驗(yàn),對鋰離子動(dòng)力電池重要性能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析?同時(shí),為了更加準(zhǔn)確地了解電池的性能,加入對放電效率的分析?將理論分析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,分析電池性能指標(biāo)在不同環(huán)境溫度下的改變規(guī)律,從而達(dá)到了解電池?zé)崽匦院驮O(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)的目的?

1鋰離子電池的發(fā)熱機(jī)理分析

鋰離子電池的發(fā)熱問題,主要包括電池自身的發(fā)熱以及與環(huán)境溫度的熱交換兩個(gè)部分?

1.1鋰離子電池的發(fā)熱

在實(shí)際分析時(shí),一般采用Sato等人提出的實(shí)驗(yàn)分析法?該方法認(rèn)為,電池自身的發(fā)熱主要是指電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)熵變產(chǎn)生的可逆熱Qr?電池的歐姆內(nèi)阻熱QJ和極化內(nèi)阻熱QP?除了上述三種熱量來源,在電池充放電時(shí)還會產(chǎn)生副反應(yīng)熱Qs?不過在車輛正常使用時(shí)Qs較低,可以忽略?因此我們只需考慮電化學(xué)反應(yīng)熱Qr，歐姆內(nèi)阻熱Qj和極化內(nèi)阻熱Qp。

1.2鋰離子電池的熱交換

鋰離子電池內(nèi)部熱量傳遞的方式,根據(jù)傳熱學(xué)原理可分為熱傳導(dǎo)?熱輻射和熱對流等三種方式?在車輛正常使用時(shí),只需考慮熱傳導(dǎo)和熱對流?

熱傳導(dǎo)是指鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量,依靠微觀粒子的熱運(yùn)動(dòng)向電池壁面?zhèn)鬟f的過程,并且傳熱過程遵循傅里葉定律:

根據(jù)鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理分析計(jì)算得出,在電池環(huán)境處于常溫時(shí),所選三元鋰離子電池能夠及時(shí)將自身的產(chǎn)熱量釋放出去?但在電池外界環(huán)境變化時(shí),會導(dǎo)致電池性能的改變,電池自身發(fā)熱同樣發(fā)生變化?由式(4)可知電動(dòng)勢溫度系數(shù)(E/T)與DS的變化相關(guān),同時(shí)DS與電池SOC關(guān)系密切,根據(jù)資料得出:當(dāng)0.4<SOC<1時(shí),DS>0,電池放電反應(yīng)吸熱;當(dāng)SOC<0.4時(shí),DS<0,電池放電反應(yīng)放熱,并且溫度系數(shù)隨SOC減小而線性增大?式(7)中表明電池產(chǎn)熱與電池內(nèi)阻?電流倍率直接相關(guān)?式(8)?式(9)說明電池的對流換熱與環(huán)境溫度關(guān)系密切?因此,結(jié)合以上的影響因素,將在不同環(huán)境溫度下對電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究?

2鋰離子電池?zé)崽匦匝芯?/span>

實(shí)驗(yàn)采用充放電設(shè)備DigatronMCT100-6-8?防爆型高低溫試驗(yàn)箱?溫度采集及電壓采集裝置等,分別進(jìn)行不同環(huán)境溫度下鋰離子動(dòng)力電池放電容量?荷電狀態(tài)-開路電壓曲線?直流內(nèi)阻以及放電效率的測試?

2.1環(huán)境溫度與放電容量

測試方法如下(0.1C為例):在室溫下將電池用1C電流放電至截止電壓,擱置1h;接著對電池用1C電流充電至4.25V,接著恒壓充電至電流2.8A為止,擱置1h;然后將電池放入高低溫試驗(yàn)箱,在設(shè)定的環(huán)境溫度中擱置2h;最后以0.1C電流放電至單體電壓值2.8V,同時(shí)記錄此階段電池的放電容量?實(shí)驗(yàn)中放電倍率選取0.1C?0.3C?1C?2C?3C?4C進(jìn)行?

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,電池的放電容量隨著放電倍率的升高而降低,隨著環(huán)境溫度的升高而升高?同時(shí)分析可得,電池的初始放電電壓隨放電倍率的增大而降低?在環(huán)境溫度小于25℃時(shí),高放電倍率下的放電容量,比低倍率降低趨勢明顯,環(huán)境溫度高于25℃時(shí),曲線的變化相對平穩(wěn)?

2.2環(huán)境溫度與直流內(nèi)阻

測量電池內(nèi)阻的方法參考混合脈沖功率性能(HPPC)實(shí)驗(yàn),測試方法如下?

依照2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法,先將電池電量放空,接著充滿電,進(jìn)行擱置,試驗(yàn)箱溫度分別設(shè)定為-25?0?25?40℃?

以1/3C恒流放電,調(diào)整電池的SOC值為0.9,擱置1h?對電池進(jìn)行脈沖放電10s(按照電池廠家提供的最大允許脈沖放電電流),記錄放電前后電壓和電流值;擱置40s,接著進(jìn)行脈沖充電10s(按照電池廠家提供的最大允許脈沖充電電流),記錄充電前后的電壓和電流值;接著繼續(xù)以1/3C恒流放電,直到放出電量達(dá)到10%放電深度(DOD),之后擱置1h?

循環(huán)步驟(3),至放出電量總和為80%為止,使得電池SOC值為0.8?0.7?0.6?0.5?0.4?0.3?0.2?0.1;分別在-25?0?25?40℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行?

實(shí)驗(yàn)表明,放電內(nèi)阻和充電內(nèi)阻均隨溫度的降低而增大,隨SOC的減小而增大,但電池放電內(nèi)阻大于充電內(nèi)阻?如圖2所示,環(huán)境溫度為25和40℃時(shí),電池在不同SOC下的放電內(nèi)阻相差不大;環(huán)境溫度為0和-25℃時(shí),電池內(nèi)阻在SOC為0.4~0.9之間較小,并且隨SOC的變化不大,但在SOC低于0.4時(shí),放電內(nèi)阻隨著溫度的降低,上升的趨勢明顯?如圖3所示,在電池充電過程中,環(huán)境溫度為0?25和40℃時(shí),電池在不同SOC下的內(nèi)阻相差不大,并且電池內(nèi)阻相對較小;環(huán)境溫度為-25℃時(shí),電池內(nèi)阻都處于一個(gè)很高的值,并且在SOC小于0.4時(shí),電池內(nèi)阻變大的趨勢更明顯?

2.3環(huán)境溫度與開路電壓

測試方法如下:依照2.1節(jié)中的實(shí)驗(yàn)方法,先將電池電量放空,接著充滿電,進(jìn)行擱置;將高低溫試驗(yàn)箱設(shè)置到需要的溫度,擱置2h;然后以1/3C恒流放電,將電池放電至設(shè)定的SOC,記錄電池的開路電壓?根據(jù)上述測試方法,分別測11個(gè)SOC點(diǎn):0?0.1?0.2?0.3?0.4?0.5?0.6?0.7?0.8?0.9和1;4個(gè)環(huán)境溫度:-25?0?25?40℃?另外由2.2節(jié)結(jié)果得,在SOC小于0.4時(shí),環(huán)境溫度在0和-25℃時(shí)電池的內(nèi)阻非常大,為了使電池在保證安全的情況下完成實(shí)驗(yàn),需要將放電電流降至0.1C?

如圖4所示,環(huán)境溫度相同時(shí),當(dāng)SOC<0.2時(shí),電池的開路電壓下降較快;當(dāng)SOC>0.2時(shí),電池的開路電壓隨SOC值的變化相對比較平穩(wěn)?不同環(huán)境溫度下得到的曲線不同,充放電過程中環(huán)境溫度越低,開路電壓值越低?

在環(huán)境溫度為0?25?40℃時(shí),電池的開路電壓相對差異較小,但是-25℃曲線明顯偏低,在SOC值偏低時(shí),電池開路電壓很小?結(jié)合第1節(jié)內(nèi)容得,鋰離子電池在深度放電時(shí),電池的電化學(xué)反應(yīng)所消耗的內(nèi)能增大明顯,會給電池帶來損耗?

2.4環(huán)境溫度與放電效率

放電效率是指電池在規(guī)定的放電制度下所放出的實(shí)際容量與額定容量之比?電池放電的實(shí)際容量要求達(dá)到標(biāo)稱容量的80%?依照這一標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)考慮電池的使用壽命,找出電池最佳的工作溫度范圍?實(shí)驗(yàn)步驟與2.1節(jié)中相同,將電池以1C放電,在不同溫度下分別進(jìn)行測試?

從圖5中可以看出來,在環(huán)境溫度高于40℃或者低于0℃時(shí),電池單體的放電效率下降很明顯?這是因?yàn)?/span>,在低溫放電時(shí)電池內(nèi)阻增大明顯,從而導(dǎo)致電池電壓提前達(dá)到放電截止電壓,使得放電容量降低;在高溫放電時(shí)電池內(nèi)部材料發(fā)生不可逆的衰減,同時(shí)電解液濃度過低,使得放電容量降低?另外,從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中看出,在溫度小于-15.5℃或者大于53℃時(shí),電池的放電效率小于80%,因此鋰離子動(dòng)力電池不適宜在環(huán)境溫度小于-15.5℃或者大于53℃時(shí)無輔助熱管理運(yùn)行?

3結(jié)論

本文結(jié)合電池的發(fā)熱機(jī)理分析,分析不同環(huán)境溫度下三元鋰離子動(dòng)力電池的重要性能,得出以下結(jié)論?

(1) 電池的放電容量在低溫時(shí)迅速衰減,隨著溫度的升高快速增長,但在常溫下比較穩(wěn)定,高溫時(shí)放電容量增加放緩?

(2) 環(huán)境溫度在室溫和高溫時(shí),在不同SOC時(shí)充?放電內(nèi)阻數(shù)值較小,并且變化不大;在低溫時(shí),充?放電內(nèi)阻隨SOC的減小而顯著增大,由電池的發(fā)熱機(jī)理可得,當(dāng)電池內(nèi)阻增大,導(dǎo)致在放電過程中歐姆內(nèi)阻熱和極化內(nèi)阻熱值增大,電池會產(chǎn)生大量的熱,對電池的性能?安全以及壽命產(chǎn)生影響,同時(shí)還會為電池包成組應(yīng)用帶來熱管理難題?因此,由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出三元鋰離子電池的工作環(huán)境溫度應(yīng)保持高于0℃?(3)電池的開路電壓隨溫度的降低而降低,并且由溫差引起的開路電壓的變化隨SOC值的減小而增大?同時(shí),考慮到熵?zé)崤cSOC值的相互關(guān)系,三元鋰離子電池在低溫下不宜深度放電?