鋰離子動(dòng)力電池充放電熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

張亞徽

摘要：為深入了解動(dòng)力電池充放電過(guò)程熱特性，搭建了主要包括電池、充放電裝置、熱電偶、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)等的單體動(dòng)力電池充放電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。分析了20Ah單體LiPO4電池，以0.25C、0.5C、0.75C和1C恒流充放電過(guò)程的電池表面溫度變化。提出了充放電過(guò)程溫度升高與電流的近似關(guān)系。

Abstract： To understand the heat production of the charge/discharge process of the power battery， the power battery charge/ discharge experimental system， including battery， charging and discharging device， thermocouple， data acquisition device and computer， was set up. The surface temperature change of 20Ah single LiPO4 battery under constant current charging and discharging process with 0.25C， 0.5C， 0.75C and 1C was analyzed. The approximate relation between temperature rise and current was proposed during charging and discharging.

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池；溫度特性；鋰離子電池；充放電

Key words： power battery；heat production；Li-ion battery；charge/discharge process

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）03-0160-03

0 引言

鋰離子電池因其能量密度大、自放電少等優(yōu)點(diǎn)具有很好的應(yīng)用前景，然而使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電池內(nèi)部溫度會(huì)快速升高，以熱失控為特征的事故時(shí)有發(fā)生[1]，引起的嚴(yán)重后果，圖1為某熱失控事故，因此研究電池?zé)岚踩苑浅１匾?/p>

針對(duì)電池的安全性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列研究。何向明等[1]統(tǒng)計(jì)了一系列動(dòng)力電池事故演變過(guò)程，提出電池事故核心的問題是熱失控。閻冬等[2]提出非常高的動(dòng)力電池開發(fā)技術(shù)，包括電解液不能蒸發(fā)、泄漏，用堅(jiān)固材料包裝電池。許丹[3]在分析國(guó)內(nèi)外典型電池火災(zāi)事故的基礎(chǔ)上提出一些可能的控制方法，包括改善電池材料熱穩(wěn)定性，使用安全電解液，設(shè)計(jì)新型滅火系統(tǒng)等。何洪文等[4]實(shí)驗(yàn)研究了鋰離子動(dòng)力電池的工作電壓、溫度升高特性曲線。王震坡[5]等通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了鋰離子動(dòng)力電池的工作特性以及充放電率、環(huán)境溫度等因素對(duì)電池性能的影響。吳凱等[6]分析了電池安全測(cè)試的影響因素。王青松等[7]分析了電池的產(chǎn)熱過(guò)程，包括SEI膜、電解液、正極的分解，負(fù)極與電解液、負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)等。饒中浩[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法研究了相變材料儲(chǔ)熱對(duì)電池溫度的控制。任保福[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析討論了充放電倍率、環(huán)境溫度、荷電狀態(tài)會(huì)對(duì)電池的熱特性產(chǎn)生影響。充放電倍率越大、環(huán)境越低、荷電狀態(tài)越等對(duì)電池的溫升的影響。同時(shí)分析了鋰離子動(dòng)力電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻的在充放電過(guò)程的比例。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

動(dòng)力電池充放電熱響應(yīng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖所示，主要包括電池、充放電裝置、熱電偶、數(shù)據(jù)采集裝置、計(jì)算機(jī)等。其中電池采用方形磷酸鐵鋰（LiFePO4）動(dòng)力電池（130mm×70mm×22mm），單體電池標(biāo)稱容量為20Ah。充放電采用BTS-M型自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)恒流充放電。采用Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀對(duì)電池表面溫度進(jìn)行采集，其中熱電偶為K型。熱電偶布置方式如圖2所示，在電池的正、負(fù)極、電池正面和側(cè)面中心。計(jì)算機(jī)控制啟動(dòng)和同步記錄數(shù)據(jù)。

單體動(dòng)力電池模擬實(shí)驗(yàn)，分別以0.25C、0.5C、0.75C和1C電流恒流充放電，測(cè)試自然環(huán)境散熱條件下，充放電過(guò)程電池表面溫度的變化規(guī)律。充電至3.6V，放電至2.0V結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)果及分析

以1C恒流充電時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)溫度、電池內(nèi)阻隨時(shí)間的變化分別如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，電池表面不同位置溫度上升規(guī)律相似，充電過(guò)程前2500s溫度上升比較緩和，2500s以后，電池表面各點(diǎn)溫度急劇升高，分析認(rèn)為充電末期電池極化明顯，極化內(nèi)阻增加，電池的發(fā)熱率急劇增加。

比較不同位置的溫度，電池溫度并不均勻，P1、P2分別為正、負(fù)極，溫度最高；P3為正面靠近正負(fù)極部分、P4為正面靠近底部的部分；P5、P6為兩個(gè)側(cè)面中部，溫度比較接近；充電結(jié)束時(shí)，最大溫差可達(dá)10℃。

圖5給出1C恒流充電過(guò)程電池總內(nèi)阻隨時(shí)間的變化規(guī)律，可以看出，充電過(guò)程電池總內(nèi)阻變化不大，只有在充電末期電池極化急劇增加，極化內(nèi)阻增加導(dǎo)致總電阻增加。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)20Ah單體電池進(jìn)行充放電過(guò)程，電池表面不同位置溫度進(jìn)行測(cè)量，獲得一系列規(guī)律。單體動(dòng)力電池恒流充電過(guò)程，在充電末期電池溫度急劇增加；單體電池溫度分布不均勻，電池正負(fù)極溫度較其它區(qū)域溫度高。電池的溫升隨充電電流近似滿足ΔT=9.22+0.007I+0.075I2。放電過(guò)程電池溫度升高隨電流變化近似滿足ΔT=-6.05+2.978I-0.07I2。

參考文獻(xiàn)：

[1]何向明，馮旭寧，歐陽(yáng)明高.車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全性[J].科技導(dǎo)報(bào)，2016，34（6）：32-38.

[2]閻冬，馬宏珺，杜凱，等.豐田車載動(dòng)力電池安全技術(shù)路線[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，5（3）：32-33.

[3]許丹.中國(guó)消防協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)年會(huì)論文集[M].2014.

[4]何洪文，孫逢春，張晨光，等.鋰離子動(dòng)力電池充放電特性的試驗(yàn)研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（5）：578-591.

[5]王震坡，孫逢春.鋰離子動(dòng)力電池特性研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（12）：1053-1057.

[6]凱吳，耀張，曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學(xué)進(jìn)展，2011，23（2）：401-409.

[7]王青松，孫金華，陳思凝，等.鋰離子電池?zé)岚踩缘难芯窟M(jìn)展[J].電池，2005，35（3）：240-241.

[8]繞中浩.基于固液相變傳熱介質(zhì)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯縖D].華南理工大學(xué)，2013.

[9]任保福.大容量鋰離子動(dòng)力電池充放電過(guò)程熱特性研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.endprint