摘要:為探索純電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池在放電過(guò)程中的瞬態(tài)熱特性,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到不同溫度下的內(nèi)阻和不 同放電倍率下的溫升曲線(xiàn),計(jì)算出不同放電倍率下的瞬時(shí)生熱率;根據(jù) 0.5C 放電倍率下的瞬時(shí)生熱率和內(nèi)阻生熱 率,求出熵?zé)幔赡娣磻?yīng)熱)系數(shù)變化曲線(xiàn),分析鋰離子電池熵?zé)崽匦詫?duì)瞬態(tài)生熱特性的影響。分析結(jié)果表明:鋰離子 電池的瞬態(tài)熱特性主要受電池內(nèi)阻熱和熵?zé)幔赡娣磻?yīng)熱)的瞬態(tài)特性影響;熵?zé)崾怯绊戨姵胤烹娺^(guò)程中溫度波動(dòng) 的主要因素,在放電中期會(huì)出現(xiàn)由相變反應(yīng)引起的吸熱現(xiàn)象;在小倍率放電過(guò)程中,熵?zé)釋?duì)電池溫度場(chǎng)的影響大于 內(nèi)阻熱,而在大倍率中則相反。通過(guò)分析,可以為電池瞬態(tài)生熱模型的建立與完善提供依據(jù)。
鋰離子電池由于具有高電壓、 低自放電率、高 比能量、好循環(huán)性能和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),使其近年來(lái) 在純電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用越來(lái)越多。電池在放電過(guò)程 中的產(chǎn)熱和散熱對(duì)電池本身的性能和使用壽命有 著重要的影響,目前國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于鋰離子電 池的產(chǎn)熱特性方面的研究[1-2],它們大多采用 1985 年 美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的 Bernardi 等[3 針對(duì)電池系統(tǒng)提出的一種通用的產(chǎn)熱基本理論。Kim 等[4-5]將 電池的產(chǎn)熱分為兩部分,分別是由于電荷轉(zhuǎn)移引起 的反應(yīng)熱以及由歐姆內(nèi)阻引起的歐姆熱。其中反應(yīng) 熱包含由電勢(shì)差引起的不可逆熱和可逆熵?zé)幔ㄟ^(guò) 該思路建立生熱率模型,模擬出不同放電倍率下的 溫度分布, 并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證;2011 年 Bandhauer 等[6]將放電過(guò)程中的生熱率分為存儲(chǔ)在電池中的熱 量和電池表面與外界換熱散失的熱量,估算出電池的 生熱率。近幾年,有不少學(xué)者針對(duì)熵?zé)嵯禂?shù)(dU/dT)進(jìn) 行了研究。2013 年,任保福等[7]測(cè)量了鋰離子電池的 內(nèi)阻和熵變,認(rèn)為熵變僅與荷電狀態(tài)有關(guān),與環(huán)境 溫度無(wú)關(guān),充電過(guò)程表現(xiàn)為吸熱反應(yīng),放電過(guò)程表 現(xiàn)為放熱反應(yīng);2015 年,吳彬等[8]通過(guò)試驗(yàn),測(cè)得鋰離 子電池不同荷電狀態(tài)下的熵?zé)嵯禂?shù), 并對(duì)比分析了 熵?zé)嵯禂?shù)的變化趨勢(shì);2016 年,云鳳玲等[9]通過(guò)對(duì)高 鎳鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)試驗(yàn), 測(cè)得前后熵?zé)嵯禂?shù)的 變化,分析了循環(huán)前后電池表面溫度分布。綜上,現(xiàn) 有相關(guān)研究中大都采用某一固定的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)或通 過(guò)數(shù)量有限的不同放電深度下的試驗(yàn)值來(lái)表征鋰 電池放電過(guò)程中熵?zé)嵯禂?shù),這一處理難以反映熵?zé)?系數(shù)的瞬態(tài)變化特征。
本文為探索純電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池在放電 過(guò)程中的瞬態(tài)生熱特性,首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量 出不同放電倍率下的溫升和不同環(huán)境溫度條件下 的放電內(nèi)阻,得到內(nèi)阻隨溫度的變化關(guān)系;隨后運(yùn) 用通用的產(chǎn)熱基本理論,計(jì)算得到電池在不同放電 倍率下的瞬態(tài)生熱率;通過(guò) 0.5C 放電倍率下的瞬 態(tài)生熱率,計(jì)算得出熵?zé)幔赡娣磻?yīng)熱)系數(shù)變化曲 線(xiàn),分析電池內(nèi)阻特性和瞬態(tài)熵?zé)崽匦詫?duì)溫度變化 的影響。
1 試驗(yàn)對(duì)象及方法
1.1 研究對(duì)象
試驗(yàn)采用某公司生產(chǎn)的軟包裝疊片鋰離子動(dòng) 力電池,電池單體型號(hào)為 26ENAO3300209。為防止 電池在測(cè)試期間性能的不穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)前和實(shí)驗(yàn)后均 在同溫度、 同放電倍率下進(jìn)行容量測(cè)試和內(nèi)阻測(cè)試。通過(guò)對(duì)比,試驗(yàn)后其容量減小 1.4%,內(nèi)阻約增 大 2.4%。容 量 和 內(nèi) 阻 變 化 不 大 , 符 合 國(guó) 標(biāo) GB/ 31467.2-2015 中容量變化小于 5%的要求, 電池在 測(cè)試后仍然保持較好的充放電能力,所以試驗(yàn)數(shù)據(jù) 對(duì)該類(lèi)電池具有代表性。試驗(yàn)電池及熱電偶布置如 圖 1 所示,規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表 1。試驗(yàn)設(shè)備包括恒翼能 動(dòng)力電池測(cè)試系統(tǒng)、高低溫防爆試驗(yàn)箱及 TP700 多 路溫度測(cè)量?jī)x等。
1.2 內(nèi)阻測(cè)試
電池內(nèi)阻測(cè)量比較常用的是混合脈沖功率特 性 HPPC(hybrid pulse power characterzation)測(cè)試方 法,另一種是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的《電動(dòng) 汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)測(cè)試規(guī)程》(GB/ T 31467.2-2015)。結(jié)合以上測(cè)試方法和文獻(xiàn)[10],測(cè)量電池在不同環(huán)境溫度和放電深度 DOD(depth of discharge)下的內(nèi)阻。
測(cè)試方 法:將 電 池 恒 流(1C)、恒 壓(截 止 電 流 0.1C)充電到 4.2 V,靜置 1 h,然后放置到高低溫防 爆箱,設(shè)定恒溫溫度 30 ℃,直至 電池溫度達(dá) 到 30 ℃;1C 放電 10 s,靜置 40 s,1C 充電 10 s;然后 1C 放電 6 min,進(jìn)入下一個(gè)荷電狀態(tài)的測(cè)點(diǎn),靜置 1 h;再重復(fù)上述步驟,直至達(dá)到截止電壓 2.75 V。
1.3 溫度測(cè)試
1.3.1 放電溫升測(cè)試
測(cè)量電池在環(huán)境溫度 30 ℃時(shí)不同放電倍率下 的溫升數(shù)據(jù)。使用 T 型熱電偶,在電池表面上布置 8 個(gè)測(cè)點(diǎn),其中在 P、N 點(diǎn)分別測(cè)量正、負(fù)極耳的溫 度,測(cè)點(diǎn) 1~6 分布在電池極板的兩側(cè)(如圖 1 所示);使用絕熱材料(如絕熱氣凝膠)對(duì)電池表面進(jìn)行雙 層包裹,并夾緊固定。
放電測(cè)試前將電池放置在防爆箱中, 將其充 滿(mǎn)電,然后用保溫材料(絕熱氣凝膠)進(jìn)行包裹,恒 溫 30 ℃靜置 2 h, 然后進(jìn)行不同放電倍率下的溫 升測(cè)試。
1.3.2 靜置溫降測(cè)試
電池在放電溫升測(cè)試過(guò)程中,由于對(duì)流傳熱和 輻射傳熱會(huì)產(chǎn)生一部分熱量損失,需要求出對(duì)流傳 熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)。根據(jù) Chen 等[11]提出的方 法, 將對(duì)流傳熱系數(shù)和輻射傳熱系數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化,轉(zhuǎn) 化為折合換熱系數(shù),表示為
Ohda 等[12]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得鋰離子電池比熱容在 一定溫度范圍內(nèi)變化不大,據(jù)此假設(shè)電池比熱容不 隨溫度的變化而變化,保持放電溫升后的環(huán)境狀態(tài) 不變,測(cè)量靜置過(guò)程中溫度變化,結(jié)果如圖 2 所示。擬合得出折合換熱系數(shù)為
為電池的表面積。
在本試驗(yàn)環(huán)境下,通過(guò)計(jì)算得出折合換熱系數(shù) hcomb=2.90(W/m2 ·K),將用于計(jì)算電池的生熱率。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1 內(nèi)阻特性
電 池 內(nèi) 阻 在 不 同 環(huán) 境 溫 度 下 放 電 過(guò) 程 中 隨 DOD 的變化如圖 3 所示。可以看出,電池在 10~50 ℃環(huán)境下, 內(nèi)阻 在 DOD 0~90%期間變化 不大,在 DOD 90%~100%期間迅速增大;在-10~0 ℃環(huán)境下, 內(nèi)阻在 DOD 10%~80%期間變化不大, 而在放電初 期和末期迅速增大。隨著環(huán)境溫度的減小,電池內(nèi) 阻逐漸增大,其中放電過(guò)程的起始和結(jié)束階段更加 明顯,曲線(xiàn)呈現(xiàn)凹形。
將不同環(huán)境溫度下的內(nèi)阻求平均值,如圖 4 所 示。可以看出,電池平均內(nèi)阻隨著環(huán)境溫度的升高 而下降。根據(jù) Yazdanpour 等[13-14]關(guān)于內(nèi)阻與溫度之 間的關(guān)系,將電池平均內(nèi)阻與溫度擬合為
2.2 溫升特性
圖 5 為電池在高低溫防爆試驗(yàn)箱恒溫 30 ℃、 兩層保溫材料包裹條件下, 分別在 0.5C、1C、1.5C、 2C、2.5C、3C 放電倍率時(shí)各測(cè)點(diǎn)的溫度變化。可以 明顯地看出,在 0.5C 和 1C(如圖 5(a)~(b))放電過(guò) 程中,電池溫度的變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)先增大后略降低再 增大的趨勢(shì), 在放電末期 有 一 小 段 溫 度 波 動(dòng);在 1.5C~3C(如圖 5(c)~(f))放電過(guò)程中,溫度波動(dòng)逐 漸不明顯,電池上升的溫度隨著放電時(shí)間幾乎成線(xiàn)性增大。這是由于隨著放電倍率的增大,不可逆阻 抗熱的增加量遠(yuǎn)大于可逆反應(yīng)熱的增加量,將可逆 反應(yīng)熱的變化對(duì)總熱量的變化影響逐漸稀釋。
3 熱特性分析
3.1 瞬時(shí)生熱率
電池在放電過(guò)程中,電池極板上存在一定的溫 差,由于絕大部分區(qū)域的溫差不大(如圖 5 所示), 所以將極板各測(cè)點(diǎn)值根據(jù)代表的中心區(qū)域比例取 平均,得出電池的平均溫度,作為電池的溫度,即
根據(jù)電池表面的能量平衡,估算出放電過(guò)程中 的生熱率,為
式中:等號(hào)右側(cè)第 1 部分代表單位時(shí)間存儲(chǔ)在電池 中的熱量,等號(hào)右側(cè)第 2 部分代表單位時(shí)間電池表 面與外界恒溫環(huán)境通過(guò)對(duì)流換熱散失的熱量。
通過(guò)式(5)計(jì)算出不同放電倍率條件下鋰電池 瞬時(shí)生熱率隨 DOD 的變化關(guān)系,如圖 6 所示。可以 看出,各放電倍率下的生熱率都是先增大后減小再 增大的一個(gè)過(guò)程,整個(gè)放電過(guò)程生熱速率成一定的 波動(dòng)性, 第一段波谷出現(xiàn)在 40%~60% DOD 之間, 第二段波谷出現(xiàn)在 85%~95% DOD 之間;隨著放電 倍率的增大,兩波谷值向后移動(dòng)。
根據(jù) Bandhauer 等[6]提到的電池產(chǎn)熱簡(jiǎn)化機(jī)理, 電池產(chǎn)熱主要來(lái)源于不可逆內(nèi)阻熱和可逆反應(yīng)熱 (即熵?zé)幔S捎陔姵貎?nèi)阻在 DOD 0~90%期間變化不 大,所以引起生熱率在放電過(guò)程中波動(dòng)主要來(lái)源于 可逆反應(yīng)熱即熵?zé)帷?/p>
3.2 熵?zé)崽匦?/p>
3.2.1 0.5 C 倍率下瞬態(tài)生熱分析
根據(jù)電池產(chǎn)熱簡(jiǎn)化機(jī)理,放電電流越小,可逆 反應(yīng)熱在電池產(chǎn)熱所占的比重越大。本文選用 0.5 C 放電倍率下的瞬時(shí)生熱率計(jì)算出可逆反應(yīng)生熱 率,進(jìn)而計(jì)算出熵?zé)嵯禂?shù)。
由式(3)得出在不同溫度下的電池內(nèi)阻,根據(jù) 圖 5(a)電池 0.5C 放電過(guò)程中的溫升得出內(nèi)阻生熱 率;忽略放電過(guò)程中溫度對(duì)比熱容的影響, 計(jì)算 0.5C 放電倍率的熵?zé)嵘鸁崧省?nèi)阻生熱率、熵?zé)嵘?熱率與總生熱率之間的關(guān)系如圖 7 所示。
由圖 7 可以看出,在 0.5C 倍率放電過(guò)程中,熵 熱生熱率的變化趨勢(shì)與總生熱率相一致,出現(xiàn) 2 次 波谷, 說(shuō)明熵?zé)崾且痣姵卦?0.5C 倍率放電過(guò)程 中溫度波動(dòng)的主要原因;內(nèi)阻生熱率的變化不大, 只有在放電末期出現(xiàn)陡增,這是由于在放電末期內(nèi)阻增大,導(dǎo)致內(nèi)阻生熱率的迅速增大。在放電 DOD 30%~50%和 80%~90%期間,可以看到熵?zé)嵘鸁崧视?一個(gè)明顯的下降趨勢(shì),其中,在 DOD 45%附近熵?zé)?生熱率出現(xiàn)負(fù)值,這是由于可逆化學(xué)反應(yīng)在放電過(guò) 程中由于電解液發(fā)生相變引起的吸熱導(dǎo)致。
圖 8 為計(jì)算的熵?zé)嵯禂?shù)變化曲線(xiàn),正值代表吸 熱過(guò)程,負(fù)值代表放熱過(guò)程。可以看出電池熵?zé)嵯?數(shù)(dU/dT)隨 DOD 的 瞬 時(shí) 變 化 趨 勢(shì),其 變 化 范 圍 為-0.3~0.01 mV/K;整個(gè)放電過(guò)程一共出現(xiàn) 2 個(gè)波 谷,熵?zé)嵯禂?shù)在 DOD 15%和 75%附近出現(xiàn)極小值, 在 DOD 45%附近出現(xiàn)極大值,且為正值。可以看出 在 DOD 45%附近熵?zé)岜憩F(xiàn)為吸熱, 在其余過(guò)程中 表現(xiàn)為放熱;在放電末期隨著 DOD 的增大迅速降 低,熵?zé)岱艧崃吭龃蟆?/p>
3.2.2 不同放電倍率下的生熱分析
由式(3)計(jì)算出不同放電倍率下平均的內(nèi)阻生 熱率,根據(jù)計(jì)算得到的生熱率(如圖 6)算出熵?zé)崞?均生熱率,并得到二者的比例關(guān)系。不同放電倍率 下的熵?zé)崞骄鸁崧省?nèi)阻平均生熱率和總生熱率如圖 9 所示。從圖 9 中可以看出,隨著放電倍率的 增大, 內(nèi)阻平均生熱率的增加大于熵?zé)崞骄鸁?率,在 0.5C 和 1C 之間熵?zé)崞骄鸁崧蚀笥趦?nèi)阻平 均生熱率,在 1.5C~3C 之間內(nèi)阻平均生熱率大于熵 熱平均生熱率;在 0.5C 倍率放電時(shí),熵?zé)崞骄鸁?率約占總生熱率的 69%,3C 倍率放電時(shí),熵?zé)崞骄?生熱率大約占總生熱率的 36%。因此可以得出,熵 熱在鋰離子動(dòng)力電池 0.5C~3C 倍率放電過(guò)程中約 占總生熱率 36%~69%, 所以忽略熵?zé)峄蜢責(zé)嵯禂?shù) 而取定值會(huì)使模擬結(jié)果與試驗(yàn)有較大偏差。
4 結(jié)論
本文通過(guò)測(cè)量電池放電過(guò)程中的溫升曲線(xiàn)和 不同環(huán)境溫度下的電池內(nèi)阻,計(jì)算出鋰離子電池不 同放電倍率中的瞬時(shí)生熱率,求出電池熵?zé)幔赡?反應(yīng)熱)系數(shù)變化曲線(xiàn),分析電池瞬態(tài)內(nèi)阻特性和 熵?zé)崽匦詫?duì)電池溫度場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:
(1)鋰離子電池在放電過(guò)程中生熱速率曲線(xiàn)會(huì) 出 現(xiàn) 2 次 波 動(dòng),2 次 波 動(dòng) 的 波 谷 分 別 出 現(xiàn) 在 DOD 50%和 90%附近;隨著放電倍率的增大,兩波谷出現(xiàn) 時(shí)間往后延遲。
(2)電池放電過(guò)程中生熱率波動(dòng)主要受可逆反 應(yīng)熱波動(dòng)的影響, 內(nèi)阻熱在放電過(guò)程中變化不大;可逆反應(yīng)在放電中期出現(xiàn)吸熱現(xiàn)象,導(dǎo)致小倍率放 電時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度的降低。
(3)電池熵?zé)嵯禂?shù)(dU/dT)在放電過(guò)程呈現(xiàn)一 定的波動(dòng)性,在 DOD 50%附近出現(xiàn)正值,可逆反應(yīng) 短暫的吸熱導(dǎo)致了溫度的降低;熵?zé)嵯禂?shù)(dU/dT)的變化范圍約為-0.3~0.01 mV/K。
(4)在小倍率放電過(guò)程中,可逆反應(yīng)熱對(duì)電池 溫度場(chǎng)的影響大于內(nèi)阻熱,忽略可逆反應(yīng)熱或熵?zé)?系數(shù)取定值會(huì)使得模擬結(jié)果與試驗(yàn)有一定偏差。
姜水生,馬龍,姜光軍,文華,江先念。鋰離子電池放電過(guò)程瞬態(tài)生熱特性分析[J]。電源學(xué)報(bào),2019,17(02):171-177.
編輯:黃飛
評(píng)論