基于Minitab軟件的相變材料電池組的應(yīng)用研究

卓威+劉軍+張文燦

摘要：鋰電池作為電動汽車的重要單元，鋰電池由于具有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動汽車。受低溫條件下鋰離子在正負(fù)極顆粒中固相擴(kuò)散阻抗增大，電阻和電荷傳遞電阻隨著溫度的降低而顯著增加。部分粒子在低溫下結(jié)晶，刺穿了隔膜導(dǎo)致電池失效。為改善低溫條件下鋰電池的性能，該文以18650鋰電池為例，進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了相變材料與加熱膜片預(yù)熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了放電效果實(shí)驗(yàn)和溫度控制，得出低溫環(huán)境下電池組的預(yù)熱效果。

關(guān)鍵詞：電池?zé)峁芾?；相變材料；儲熱；鋰電池；電動汽?/p>

中圖分類號：TM911 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）32-0225-03

Research on Phase Change Materials Battery under Minitab Software

ZHUO Wei，LIU Jun，ZHANG Wen-can

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Foshan University， Foshan 528000， China）

Abstract： For the advantages of environmental protection，lithium battery as an important unit of electric cars，are widely used in electric vehicles.The low temperature performance of the batteries were due to show kinetics of Li-ion diffusion in cathode and anode materials，along with the low temperature，the resistance and electric charge increased significantly.Some particles under the low temperature grain formation and pierced the diaphragm ，which lead to spent batteries.In order to improve the performance of lithium-ion batteries under the condition of low temperature ，which takes 18650 lithium batteries for example， for the optimization of thermal management system， phase change materials and preheating structure are designed，discharge experiment and temperature control be carried out， it is concluded that preheating battery pack effect under low temperature conditions.

Key words： battery thermal management；phase change material； thermal energy storage； lithium battery； electric automobile

現(xiàn)今電動汽車快速發(fā)展，其中鋰電池作為產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品，作為儲能裝置元件，鋰電池應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，目前已形成以鋰電池檢測系統(tǒng)為核心，并輔以鋰電池組自動化組裝系統(tǒng)的業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)。鋰電池相比傳統(tǒng)的鉛鎳等電池具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，行業(yè)發(fā)展受到政府的鼓勵和支持。政府出臺多項(xiàng)扶持政策推動鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對鋰電池檢測系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極作用。眾所周知，在低溫條件下，鋰電池的充、放電特性將變差，容量和壽命也會衰減，進(jìn)而導(dǎo)致車輛續(xù)駛里程及整車動力性能顯著下降，充電時(shí)間明顯延長。長期以來，在東北、西北等高寒地區(qū)難以推廣。電池組在低溫下提供能量較少導(dǎo)致失效，具體分為三個(gè)原因[1]：低溫下內(nèi)阻增大；低溫下電池組回收能量較少，低溫下電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)不活躍；部分粒子在低溫下結(jié)晶，刺穿了隔膜導(dǎo)致電池失效。而熱管理系統(tǒng)[2]是保障電動汽車運(yùn)行效率、壽命、成本與安全的重要子系統(tǒng)，已經(jīng)引起了國內(nèi)專家學(xué)者和汽車廠商的廣泛關(guān)注和持續(xù)研究。根據(jù)動力電池組熱管理系統(tǒng)的預(yù)熱主要包括三種方式[3-6]，分別是基于交流電加熱法、帕爾貼加熱法、加熱板加熱法?；谀壳跋嘧儌鳠峤橘|(zhì)管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀和存在的問題，特別是在動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，單一的預(yù)熱方式[7-14]在國內(nèi)外研究較多，而交流電加熱法和帕爾貼加熱法難以滿足動力電池組快速預(yù)熱的要求，易導(dǎo)致電池失效。從面向?qū)嶋H工程應(yīng)用出發(fā)，加快相變材料熱管理技術(shù)的進(jìn)程，促進(jìn)電動汽車技術(shù)的發(fā)展和推廣。與其他形式的熱管理方式相比，相變材料具備不需要風(fēng)扇、排氣扇以及路線設(shè)計(jì)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是促進(jìn)未來高性能和小型化電動汽車發(fā)展的重要技術(shù)之一，但目前基于相變傳熱介質(zhì)的熱管理技術(shù)大多數(shù)還處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，缺乏對其進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究和驗(yàn)證，廣泛的工程應(yīng)用還需要更多深入的研究工作。分析了動力電池的產(chǎn)熱原理，在選擇與制備相變材料的基礎(chǔ)上，對基于不同溫度下相變材料的電池?zé)峁芾砟K進(jìn)行研究試驗(yàn)，通過試驗(yàn)的溫度測試數(shù)據(jù)的對比分析，得出不同溫度下相變材料電池?zé)峁芾砟K設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，同時(shí)討論該方案的合理性。

1 動力鋰離子電池理論計(jì)算

1.1 相變材料熱量計(jì)算

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用相變材料處理，其中相變材料本身具有吸收熱量的特性，達(dá)到電池?zé)峁芾砟康?。所謂的相變潛熱是指單位相變材料吸取熱量，故相變材料數(shù)量的選取會隨動力電池模塊的改變而變化，設(shè)計(jì)動力電池模塊時(shí)，需要考慮相變材料的數(shù)量，并計(jì)算冷卻過程中的熱量，其中材料數(shù)量的計(jì)算如下[15]：endprint

[M=QdisCP（Tm-Ti）+H] （1）

其中：[Cp] 相變材料為比熱容，單位為[J/（kg·K）]；[M]為相變材料的質(zhì)量，單位kg；[Ti] 為相變材料沸點(diǎn)溫度，單位[°C] ；[Qdis] 為相變材料的熱量，單位J；[H] 為相變材料的相變潛熱，單位[J/kg] 。其中鋰電池的最佳工作溫度為36[°C]，北京冬天氣溫取為-10[°C]，石蠟相變材料相變溫度為65[°C]。

1.2 熱力學(xué)分析

根據(jù)熱力學(xué)知識可知，熱量的傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。實(shí)際中的熱量傳遞基本由這三種方式的組合而成，區(qū)分方式是某種方式在傳熱過程中主導(dǎo)地位。電池在低溫預(yù)熱時(shí)的熱平衡方程如下：

[Qi+Qe+Ql=Qb] （2）

其中[Qi]為電池板內(nèi)部充放電產(chǎn)生的熱量，[Qe]為外部低溫加熱產(chǎn)生的熱量，[Ql]為電池板與空氣對流層的熱量，[Qb]為電池的總吸收熱量。

1.3 電熱膜片內(nèi)能增加量

經(jīng)過微小時(shí)間[dx] 電熱膜片內(nèi)能升高：

[QRM=mRCRtRx+dx-tRx] （3）

[mR=nRkmlR] （4）

式中：[mR] 為電熱膜片總質(zhì)量，單位為kg；[CR] 為電熱膜片比熱容，單位為℃℃[Jkg·?C]；[tRx] 為任意x時(shí)刻電熱膜片溫度，單位為℃；[km] 為電熱膜片密度，單位為[kg/m] 。

1.4 輻射換熱

電熱膜片在高溫狀態(tài)下向周圍空間輻射，輻射的熱量被石蠟所吸收。

[qE=ARεCbtR+273.151004] （5）

式中：[ε] 為電熱膜片表面法向黑度，其中[ε]=0.65；[Cb] 為黑體輻射系數(shù)，[Cb]= [W/m2·K2] 。相變材料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的初步設(shè)計(jì)需要考慮上述公式的計(jì)算結(jié)果，動力電池模塊的工作環(huán)境混亂，如需深入設(shè)計(jì)，還要將相關(guān)數(shù)據(jù)改善提高。以下是電池組熱傳遞示意圖，如圖1。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 相變材料制備

石蠟相變材料密度900[kg·m-3]，比熱容為2.9[kj·kg-1·K-1]，熔化熱為220[J·g-1]，熱導(dǎo)率為0.04[W·m-1·K-1]。首先對石蠟進(jìn)行熔化處理，將放置定量石蠟的燒杯存入恒溫水箱之中，其中水箱的溫度保持在65℃，并將燒杯中的石蠟進(jìn)行攪拌，保持十分鐘后，石蠟熔化并放置于熔蠟器之中。整個(gè)灌注的過程為，將電池組置于熔蠟器中，然后從上至上下注入液體石蠟。在石蠟注入注入過程一直保持石蠟的加熱，防止液態(tài)石蠟轉(zhuǎn)化為固態(tài)。

2.2 低溫工況下的放電測試

選用某廠家的18650三元鋰電池為研究對象進(jìn)行建模，并且進(jìn)行簡化，實(shí)驗(yàn)以3個(gè)電池單體串聯(lián)作為研究對象，單體電池尺寸為[?18mm×65mm]，對電池模塊的組裝，首先在石蠟的材料中挖出方形，使用熱縮膜為鋰電池進(jìn)行絕緣，并安裝好熱電偶，之后將設(shè)置好的串聯(lián)電池放入的石蠟的材料中，熱電偶將通過設(shè)置的插頭與溫度檢測儀相連，為電池測試精確的溫度值。對電池模塊的正負(fù)極高溫絕緣紙來保證良好的絕緣特性，組裝過程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)工作溫度的情況，采用北京冬季工況溫度。北京冬季工況環(huán)境溫度，通過恒溫箱對環(huán)境溫度進(jìn)行控制，通過加熱膜片對電池組模塊進(jìn)行溫度控制，通過熱電偶進(jìn)行實(shí)際溫度的采集。通過實(shí)驗(yàn)說明電池模塊在低溫的使用條件下的放電能力及溫度控制的能力。首先測試低溫條件下的電池狀況。將恒溫箱的溫度調(diào)至低溫，根據(jù)目前已知的狀況是電池在低溫條件下放電性能普遍較差，因此只對電池進(jìn)行1A放電的測試，放電30分鐘[16-17]。在實(shí)驗(yàn)過程中采用的方法是控制變量法，即改變某一單一變量而其他參數(shù)保持不變。實(shí)驗(yàn)過程是測試電池組模塊的預(yù)熱性能。根據(jù)組合預(yù)熱方式，因此實(shí)驗(yàn)過程中需要改變的變量是相變材料的有無，環(huán)境溫度。實(shí)驗(yàn)過程中，為了更好的驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們采用恒溫箱進(jìn)行環(huán)境溫度的控制，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備如下：

2.4 低溫工況下的放電測試

在恒溫箱低溫的條件下，對電池模塊以及相變材料石蠟進(jìn)行保溫環(huán)境處理。進(jìn)行保溫處理后，通過對電池預(yù)熱情況進(jìn)行分析，確定不同工況下的預(yù)熱方案。首先，根據(jù)石蠟的物理性質(zhì)，作為相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定的實(shí)驗(yàn)，對以上各組情況進(jìn)行控制變量。

從圖3進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，不含有相變材料的電池組中值電壓波動較大，且普遍低于含相變材料的中值電壓，介于9V～2V之間，因?yàn)榈蜏厥褂脙?nèi)阻增大。而含有相變材料的中值電壓，介于10V～8.5V之間，較為穩(wěn)定。

從圖4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，不含有相變材料的電池組放電能量介于1.5Ah～3.5Ah之間，且隨著溫度的升高而增加，變化率較大。而含相變材料的電池組放電能量介于2.5Ah～3.5Ah之間，明顯高于不含相變材料的電池組放電能量。

3 結(jié)束語

在研究動力電池產(chǎn)生熱量的原理的基礎(chǔ)上，研究通過制作石蠟相變材料組合結(jié)構(gòu)。并將這種材料應(yīng)用到鋰電池模塊快中，對模塊的制作過程進(jìn)行比較詳盡的描述，涉及模塊與各部分的連接。另外對模塊在不同溫度下等，進(jìn)行電池在不同工況的測試，驗(yàn)證相變技術(shù)在電池模塊的預(yù)熱效果的作用。并將兩種的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，對材料在性能上作出評價(jià)和分析。通過上述論文的內(nèi)容，得到結(jié)論如下：

1） 對動力電池的熱量產(chǎn)生的原理進(jìn)行分析，對相變材料在冷卻過程中產(chǎn)生的熱量及相變材料進(jìn)行原理的闡述，給出對應(yīng)的理論公式。動力電池的熱量產(chǎn)生原理的分析是文中實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)。

2） 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，不含有相變材料的電池組中值電壓V和放電能量Ah普遍低于含相變材料的中值電壓和放電能量，相變材料對電池穩(wěn)定性具有重要意義和發(fā)展前景。endprint

3） 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，當(dāng)溫度處于低溫時(shí)，有無相變材料與溫度的交互作用明顯，有材料與放電能量的主效應(yīng)作用明顯?；谙嘧儾牧系募夹g(shù)在電池中的應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢，在今后的電池?zé)峁芾碇杏幸欢ǖ母偁幠芰Α?/p>

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