電動(dòng)自行車用鋰離子電池組溫度試驗(yàn)研究①

顧正建，嚴(yán) 媛，黃 惠

( 1.無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，江蘇 無錫 214028; 2.國家輕型電動(dòng)車及電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 無錫 214028)

1 前言

鋰離子電池因其具有能量密度高、功率密度高、充放電壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，使其在電動(dòng)自行車上有極大的應(yīng)用價(jià)值[1]。電動(dòng)自行車在騎行過程中，鋰離子電池組被不斷放電，并伴隨熱量產(chǎn)生，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高和單體電池之間溫度不均勻，造成電池性能不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到電池的使用安全和壽命[2-4]。而動(dòng)力電池的溫度對(duì)其電化學(xué)體系、輸出功率、使用壽命、安全性等都有很大影響。同時(shí)由于電池及其保護(hù)裝置的外部散熱條件、熱保護(hù)方式和單體電池的空間位置不同，電池組內(nèi)不同單體電池間、保護(hù)裝置核心元件、過熱保護(hù)元件布局位置等會(huì)產(chǎn)生溫度差異。本文分析研究電動(dòng)自行車用鋰離子電池組特征單體電池和核心保護(hù)元件在電池組使用過程中的溫度變化，為電池組組成部件的合理布局、增強(qiáng)電池組的使用安全性及延長電池組的使用壽命提供技術(shù)支持和技術(shù)儲(chǔ)備。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

2.1 試樣相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)中所用的鋰離子電池組采用正極為鎳鈷錳酸鋰的18650型單體電池；采用具有過壓保護(hù)、過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、過熱保護(hù)等功能的保護(hù)裝置。表1為試驗(yàn)用鋰離子電池組的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 鋰離子電池組主要技術(shù)參數(shù)

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

使用美國Arbin公司生產(chǎn)的EVTS高精度充放電測試系統(tǒng)(電流電壓精度為0.1%FSR)，日本ESPEC株式會(huì)社生產(chǎn)的LU-120高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱(-25℃ ～85℃，溫度波動(dòng)度為±0.5℃)，日本YAKOGAWA公司生產(chǎn)MV2000溫度巡檢儀(J型)。

2.3 試驗(yàn)過程

2.3.1測溫點(diǎn)連接

將試驗(yàn)所需設(shè)備與鋰離子電池組連接，如圖1所示。溫度巡檢儀熱電偶分布于鋰離子電池組特征單體電池及保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET表面，如圖2所示。具體測溫點(diǎn)如圖2a～2e，圖2a～2d是特征單體電池的測溫點(diǎn)位置示意圖，共9個(gè)測溫點(diǎn)，分別命名為測溫點(diǎn)1、測溫點(diǎn)2、測溫點(diǎn)3……測溫點(diǎn)9。圖2e是保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET表面測溫點(diǎn)位置示意圖，共8個(gè)測溫點(diǎn)，分別命名為測溫點(diǎn)10、測溫點(diǎn)11、測溫點(diǎn)12……測溫點(diǎn)17。圖2f是實(shí)際樣品示意圖。

圖1 溫度試驗(yàn)示意圖Figure 1. Temperature test diagram

圖2 a為模塊1(9并7串)DOWN面測溫點(diǎn)位置示意圖；b為模塊1(9并7串)UPPER面測溫點(diǎn)位置示意圖； c為模塊2(9并6串)UPPER面測溫點(diǎn)位置示意圖；d為模塊2(9并6串) DOWN面測溫點(diǎn)位置示意圖; e為保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET表面測溫點(diǎn)位置示意圖；f試驗(yàn)用鋰離子電池組實(shí)物圖Figure2. Down point for measuring temperature(a for module 1, d for modle 2);UPPER point for measuring temperature(b for modle 1, c for modle 2);Temperature measurement point of portective device(e); Physical diagram of lithium-ion batteries(f)

圖3 電池組不同溫度條件下充電測溫點(diǎn)最高溫度圖Figure 3. Charge side maximum temperature in the battery group under different temperature conditions.

2.3.2試驗(yàn)方法

(1)充電：將試樣分別在25℃、45℃條件下恒溫4h進(jìn)行4A(模擬充電器正常充電電流)充電；

(2)放電：將試樣在25℃條件下恒溫4h分別進(jìn)行10A(正常工作電流)、35A(最大工作電流)放電，在45℃條件下恒溫4h進(jìn)行35A放電。

具體試驗(yàn)方法如表2所示。

表2 試驗(yàn)方法

3 結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)溫度條件下充電

圖3為鋰離子電池組在25℃、45℃試驗(yàn)溫度條件下充電時(shí)，電池組內(nèi)特征單體電池、保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET測溫點(diǎn)最高溫度圖。由圖3a可以看出：電池組在25℃試驗(yàn)溫度下，4A電流充電，最高溫度最大值的測溫點(diǎn)出現(xiàn)在模塊1中心單體電池負(fù)極集流體位置，溫度為29.6℃(測溫點(diǎn)6)；最小值出現(xiàn)在模塊1邊緣單體電池殼體表面，溫度為28℃(測溫點(diǎn)7)。值得注意的是柱狀圖的頂端幾乎在同一條平行線上，這表明電池組在該試驗(yàn)條件下充電，電池組內(nèi)部的特征單體電池和保護(hù)裝置的溫度幾乎一致，溫差很小。圖3b是電池組在45℃試驗(yàn)溫度下，4A電流條件下充電時(shí)電池組的測溫點(diǎn)溫度柱狀圖，最高溫度最大值的測溫點(diǎn)亦出現(xiàn)在模塊1中心單體電池負(fù)極集流體位置，溫度為47.8℃(測溫點(diǎn)6)，僅高出保護(hù)裝置MOSFET表面溫度約0.2℃；最小值亦出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為47℃(測溫點(diǎn)7)。該柱狀圖的頂端亦呈一條直線趨勢，電池組內(nèi)部特征單體電池和保護(hù)裝置的溫差非常小。

電池組在25℃和45℃試驗(yàn)溫度下充電，電池組單體電池及保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET表面各溫度點(diǎn)之間表現(xiàn)出較高的一致性，圖3c近似一條直線，這充分表明電池組在允許的高溫條件下進(jìn)行正常電流充電對(duì)電池組使用影響不大。

3.2 不同溫度不同電流條件下放電

圖4為鋰離子電池組在25℃10A、25℃35A、45℃35A條件下放電，電池組內(nèi)特征單體電池、保護(hù)裝置充放電保護(hù)MOSFET測溫點(diǎn)的最高溫度圖。圖4a是電池組在25℃10A條件下放電，最高溫度最大值出現(xiàn)在模塊1中心單體電池正極集流體位置，溫度為36.6℃(測溫點(diǎn)5)，特征單體電池的溫度(測溫點(diǎn)1-9)在所有測試點(diǎn)溫度中相對(duì)較高，溫度均值為35.4℃；最小值出現(xiàn)在保護(hù)裝置充電保護(hù)MOSFET表面(測溫點(diǎn)10，溫度為31.4℃)，保護(hù)裝置充電保護(hù)MOSFET表面溫度(測溫點(diǎn)10,11,12,13)在所有測溫點(diǎn)中溫度相對(duì)較低，均值為31.6℃。25℃10A試驗(yàn)條件下，即電池組在常溫正常工作電流條件下使用，電池組保護(hù)裝置充電保護(hù)MOSFET平均溫度相對(duì)單體電池平均溫度低3.8℃，各溫度點(diǎn)溫度表現(xiàn)出相對(duì)較好的一致性。

圖4b是電池組在25℃35A條件下放電測溫點(diǎn)的溫度圖，最高溫度最大值出現(xiàn)在保護(hù)裝置放電保護(hù)MOSFET表面(測溫點(diǎn)14,15,16,17)，溫度均值為71.6℃；在此試驗(yàn)條件下，特征單體電池的溫度相對(duì)較低(測溫點(diǎn)1-9)，溫度均值為60.7℃，最小值出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為54.7℃。圖4c是電池組在45℃35A條件下放電測溫點(diǎn)的溫度圖，最高溫度亦出現(xiàn)在保護(hù)裝置放電保護(hù)MOSFET表面(測溫點(diǎn)14,15,16,17)，溫度均值高達(dá)75.8℃；此時(shí)，特征單體電池的溫度亦相對(duì)較低(測溫點(diǎn)1-9)，溫度均值為57.2℃，最小值亦出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為54.2℃。在25℃35A和45℃35A條件下，即電池組在最大工作電流下使用時(shí)，放電保護(hù)MOSFET表面最高溫度顯著升高，相對(duì)單體電池分別高出10.9℃和18.6℃。這表明電池組在最大工作電流條件下使用時(shí)，MOSFET溫升較高，與特征單體電池的溫差較大，因此保護(hù)裝置不宜與單體電池緊鄰放置，否則會(huì)影響電池使用，甚至有安全隱患。值得注意的是，即使在高溫高電流條件下使用該電池組，特征單體電池的溫度均未超過65℃，在該溫度內(nèi)特征單體電池的發(fā)熱量仍然主要源于焦耳熱，安全性能有保障[5-6]。

圖4 電池組不同溫度不同電流條件下放電測溫點(diǎn)最高溫度圖Figure 4. Discharge side maximum temperature in the battery group under different temperature and current

4 結(jié)論

(1)電池組在常溫和允許的高溫條件下充電，對(duì)電池組使用影響不大。

(2)電池組在最大工作電流條件下使用時(shí)，MOSFET表現(xiàn)出較高的溫升。由于電動(dòng)自行車用鋰離子電池組一般沒有輔助散熱條件，此時(shí)保護(hù)裝置不應(yīng)與單體電池緊鄰放置，否則會(huì)影響電池使用，甚至有安全隱患。

(3)由于無特殊輔助散熱裝置，單體電池在充電和放電條件下都表現(xiàn)出中間單體電池溫度始終高于邊緣單體電池，在電池梯次利用時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇邊緣單體電池。

(4)電池組在設(shè)計(jì)溫度保護(hù)時(shí)，熱敏電阻應(yīng)選擇放置在最不易散熱的單體電池處，不應(yīng)選擇放置在邊緣單體電池表面。且應(yīng)選擇在保護(hù)裝置與單體電池最近的地方放置熱敏電阻，設(shè)計(jì)溫度保護(hù)。

(5)電池組內(nèi)部宜增加輔助散熱裝置，均衡電池組內(nèi)部溫度，增強(qiáng)電動(dòng)自行車在加速、爬坡、負(fù)重等特殊場景的使用安全性。

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