低溫條件下鋰離子電池電熱性能研究

康云

摘 要：近年來，我國對鋰離子動(dòng)力電池的需求不斷增加，鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在低溫條件下能量密度和功率密度降低，影響車輛的動(dòng)力性能和續(xù)航里程。針對此問題，文章選定電池供應(yīng)商提供的鋰離子電池模塊，根據(jù)目前國標(biāo)和實(shí)際工況對電池系統(tǒng)的要求，采用試驗(yàn)的方法得到了電池模塊表面溫度隨不同環(huán)境溫度、不同充放電狀態(tài)以及行駛工況下的變化規(guī)律。為了保證低溫下電池的正常使用，必須對電池進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)。本文研究結(jié)果可為動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱管理設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;低溫;溫升;低溫放電

鋰離子電池?zé)崾Э卦蛑饕性陔娊庖旱臒岵环€(wěn)定性，以及電解液與正、負(fù)極共存體系的熱不穩(wěn)定性兩個(gè)大的方面。鋰離子電池?zé)崾Э胤磻?yīng)劇烈、熱釋放速率高并釋放大量有毒有害氣體，會在短時(shí)間對人體和環(huán)境造成危害。

1 電池包產(chǎn)熱分析

對充滿后的電池包進(jìn)行放空，靜置一段時(shí)間后再充滿。分別在充放電結(jié)束后立即打開電池包上下蓋，并使用熱成像儀對電池包進(jìn)行測量。從熱成像結(jié)果上分析可知，在0.3C倍率下，電池外表面各部位最大差值在0.3℃以內(nèi)，因此本文將電池包的溫升作為一個(gè)整體來考慮?；诖?，本模型的仿真對象為電池包的整體溫升而非某個(gè)部位的溫升。同時(shí)，為驗(yàn)證上述實(shí)驗(yàn)方法的合理性，在電池包結(jié)束充放電并開蓋測量溫度后，繼續(xù)靜置5h并監(jiān)測其溫度變化，發(fā)現(xiàn)其平均溫度下降速率小于1℃/h，因此本文認(rèn)為電池包工作結(jié)束立即開蓋后測量到的電池包溫度分布可以代表電池包正常工作時(shí)的溫度分布。

2 動(dòng)力電池低溫性能試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)測試方法為：選取環(huán)境溫度25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃一共五個(gè)溫度點(diǎn)，分別進(jìn)行放電倍率為1C、0.3C、0.5C的放電測試。根據(jù)整車試驗(yàn)中采出實(shí)際工況路譜圖，將其轉(zhuǎn)化為工況電流，進(jìn)行25℃、0℃、-20℃環(huán)境溫度下的工況放電測試。記錄以上試驗(yàn)的溫度、容量、能量、電壓、電流等數(shù)據(jù)。

3 三元聚合物鋰離子電池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

3.1 0%SOC三元聚合物鋰離子電池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

開啟電加熱板加熱，電池表面溫度開始緩慢上升，加熱至7min，電池表面溫度為50℃，隨后電池表面溫度開始快速上升，加熱至9min，電池表面溫度為75℃。電池電解液于電池帽與電池殼密封處發(fā)生泄漏，附著于加熱板表面，產(chǎn)生少量煙霧。電池電解液泄漏至11min，電池表面溫度緩慢上升至92℃并趨于平穩(wěn)。

3.2 30%SOC三元聚合物鋰離子電池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

電加熱板加熱開啟后，電池表面溫度迅速上升，并于4min時(shí)發(fā)生電解液的少量泄漏，電池表面溫度為49℃。6min時(shí)，正極保護(hù)蓋向外炸出，電解液出現(xiàn)泄漏，少量煙霧冒出。8min時(shí)，電池表面溫度達(dá)到102℃，煙霧大量涌出，充滿防爆箱空間9min時(shí)，電池表面溫度達(dá)到118℃，隨后電池表面溫度快速上升，并于12min時(shí)到達(dá)最高值218℃，隨后溫度緩慢下降。

3.3 50%SOC三元聚合物鋰離子電池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

電加熱板加熱開啟后，電池表面溫度迅速上升，并于3min22s時(shí)到達(dá)70℃，在此期間于1min50s時(shí)發(fā)生電解液少量泄漏，伴隨有少量煙霧冒出。7min時(shí)，煙霧停止冒出，溫度緩慢上升。

3.4 100%SOC三元聚合物鋰離子電池實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在電加熱板開啟2min后，電解液開始泄漏，一直伴隨大量煙霧冒出，電池表面溫度迅速上升。5min24s時(shí)，電池表面溫度達(dá)到85℃，電池發(fā)生劇烈爆炸，爆炸時(shí)間1.2s。反應(yīng)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)碳粉布滿測試箱內(nèi)表面。電池除電池帽與電池殼密封處、同加熱板接觸面存在腐蝕現(xiàn)象，外觀無明顯損壞。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 放電平臺

在不同環(huán)境溫度下，電池的放電平臺隨著環(huán)境溫度的下降而下降。在-20℃時(shí)，放電的初期階段放電平臺會快速下降，達(dá)到一個(gè)“波谷”階段。這是由于在低溫狀態(tài)下，電解液處于凝固或者半凝固的狀態(tài)，電解液的導(dǎo)電率降低，放電平臺快速下降。隨著放電過程的進(jìn)行，放電平臺緩慢的上升到平臺期。這段期間因?yàn)殡S著放電過程的進(jìn)行，電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量融化了電解液，增加了電解液的導(dǎo)電率，降低了電子流動(dòng)阻力，使得放電平臺升高。

4.2 電池表面溫度

在相同環(huán)境溫度，放電倍率越低，電池表面的溫升越小，如：在-20℃的環(huán)境溫度下，0.5C放電電池表面的平均溫升為26℃;在-20℃的環(huán)境溫度下，0.3C放電電池表面的平均溫升為21℃。這說明在環(huán)境溫度較低時(shí)，應(yīng)該采用較小的電流進(jìn)行放電。這樣的效果一是保證電池能量的輸出效率;二是保證電池的使用壽命。

4.3 放電容量

環(huán)境溫度-20℃下，以0.3C放電放出的能量最低，為25℃下的86%。放電倍率越小，環(huán)境溫度越低，放出的電量越小。環(huán)境溫度25℃下，0.3C放電的容量略高，其他溫度點(diǎn)都是1C放電的容量最高。

綜上所述，電池在低溫環(huán)境下鋰離子本身活性比較低，電解液流動(dòng)阻力大，導(dǎo)電率降低，放電容量降低，影響純電動(dòng)汽車的工作。根據(jù)試驗(yàn)測試得到電池實(shí)際在不同環(huán)境溫度、不同放電倍率以及工況下的放電平臺和電池表面溫度變化。

參考文獻(xiàn)：

[1]霍宇濤，饒中浩，劉新健等.基于液體介質(zhì)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展[J].新能源進(jìn)展，2014，2（2）：135-140.