電動汽車鋰離子電池大倍率放電下熱性能分析

張玥　江艷梅　張輝

摘 要：針對在電動汽車中使用的鋰離子電池，在簡述其產(chǎn)熱與散熱性能的基礎(chǔ)上，以18650型鋰離子電池為例，采用實驗測試的方法驗證了鋰離子電池在不同放電倍率條件下的電性能與熱性能，以此為鋰離子電池的設(shè)計使用提供參考依據(jù)，保證電池的使用效率與安全。

關(guān)鍵詞：電動汽車;鋰離子電池;放電倍率;熱性能

在當(dāng)前整個能源短缺的時代，電動汽車成為汽車工業(yè)未來發(fā)展重要趨勢，已經(jīng)得到了很多人的認(rèn)同與支持。電動汽車以鋰離子電池為主要動力來源，而鋰離子電池作為動力電池，其熱性能和放電倍率有直接關(guān)系，同時熱性能還決定了電池自身運行效率、安全性與可靠性，因此有必要探究不同放電倍率情況下的電池?zé)嵝阅堋?/p>

1 電池產(chǎn)熱與散熱

當(dāng)電池以較高倍率進行放電時，必然會產(chǎn)生很多熱，如果產(chǎn)熱的速率超過散熱，則電池溫度會不斷升高;一旦溫度過高，除了威脅使用安全，還會縮短電池壽命。因此，掌握電池自身產(chǎn)熱與散熱速率是十分重要的，必須引起重視。

1.1 產(chǎn)熱

電池放電時，鋰離子發(fā)生脫嵌，電子由負(fù)極向正極移動，使極片電荷保持平衡，充電和放電剛好相反。在溫度不足70℃的情況下，充放電時的產(chǎn)熱包含以下幾部分：其一，電化學(xué)反應(yīng)熱，表示為Qr;其二，極化產(chǎn)熱，表示為Qp;其三，Joule熱，表示為QJ。電池充放電時，鋰離子于兩極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電子也會像鋰離子那樣發(fā)生嵌入及脫離，數(shù)量也完全一致，在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的所有熱量，就是電池自身的化學(xué)反應(yīng)熱[1]。

電池反應(yīng)中還存在和理論情況下平衡點位存在一定電位差的極化，其原因為電池反應(yīng)時分子發(fā)生運動與擴散都需要能量，同時鋰離子自身化學(xué)擴散系數(shù)相對較小，它在電極中產(chǎn)生擴散與運動是發(fā)生極化產(chǎn)熱現(xiàn)象主要原因，對于極化過程，它包含電阻、濃差與電化學(xué)三種，可將其產(chǎn)熱等效成極化內(nèi)阻，表示為RP。在電池中，不同組成部分含有Ohm內(nèi)阻，這一內(nèi)阻的總和即為RΩ。

根據(jù)以上分析結(jié)果，若將熱力學(xué)溫度表示為，將電化學(xué)反應(yīng)對應(yīng)的熵變表示為，將Faraday常數(shù)表示為，將輸出電流表示為，則電池產(chǎn)熱可表示為：

1.2 散熱

基于自然對流這一實際條件，電池散熱包含三個部分：第一部分為內(nèi)部導(dǎo)熱;第二部分為對流換熱;第三部分為輻射換熱[2]。

1.2.1 內(nèi)部導(dǎo)熱

電池放電時，產(chǎn)熱會使電池內(nèi)外部溫差失去平衡，由內(nèi)向外發(fā)生熱量傳導(dǎo)。這一傳導(dǎo)過程符合Fourier定律，可將電池視為自帶內(nèi)熱源的導(dǎo)熱系數(shù)正交異性的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，其熱流向符合以下公式：

1.2.2 對流換熱

電池放電時，其表面溫度和環(huán)境溫度有差異，在這種情況下，將以對流的方式發(fā)生換熱，換熱過程遵循Newton規(guī)律，實際換熱量可用以下公式表示：

式（3）中，h表示換熱系數(shù);A表示表面面積;Tw表示表面溫度;Tf表示環(huán)境溫度。由式（3）可以看出，在電池容量保持不變的情況下，增大表面面積與換熱系數(shù)，能增強電池自身散熱能力[3]。

1.2.3 輻射換熱

電池和環(huán)境之間的熱交換除對流換熱外還包含輻射換熱，其換熱量可表示為：

式（4）中，ε表示物體發(fā)射率，在1以內(nèi);δ表示Boltzmann常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）;Tw表示表面溫度;Tf表示環(huán)境溫度。

電池和環(huán)境之間總傳熱量可表示：

2 實驗部分

2.1 原理與內(nèi)容

為了解電池在充放電時的電、熱性能，采用測試的方法，其原理如圖1所示。電池兩極和測試儀直接相連，測試儀和計算機相連，同時設(shè)定測試工步。將熱電偶其中一端粘在電池測溫點（該點表示為T），而另外一端和巡檢儀連接，巡檢儀和計算機連接，用于記錄所有溫度數(shù)據(jù)。本次實驗的主要內(nèi)容為：先按0.5C的倍率進行充放電，其中，充電需到達截止電壓與電流，分別為3.6V與2.5A，而放電也需要達到截止電壓，即2.5V;然后在初始狀態(tài)一直的情況下，按1.0C、1.5C與3.0C的倍率進行放電，此時的放電同樣需要達到截止電壓，即2.5V。本次實驗在自然對流條件下進行，環(huán)境溫濕度分別為28℃-30℃和70%-80%[4]。

2.2 實驗步驟

為了探究電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下具有的充放電性能，以及在不同放電倍率情況下具有的熱、電性能。根據(jù)以下工步進行測試：工步1：擱置5s，充電倍率為0.5C;工步2：擱置30min，充電倍率為0.5C;工步3：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步4：擱置30min，充電倍率為1.0C;工步5：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步6：擱置30min，充電倍率為1.5C;工步7：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步8：擱置30min，充電倍率為3.0C;工步9：擱置60min，充電倍率為0.5C。在實驗中，需要對以下數(shù)據(jù)進行實時記錄：電池工作電壓;電池放出容量;電池充放電電流;測溫點實際溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 充放電性能

在恒流充電時，待電壓升高到截止電壓以后進入恒壓充電狀態(tài)，在恒壓充電時，充電電流變電減小，直到截止電流，在充電過程結(jié)束后，電池電壓和電流分別為3.3V、0A。將電池擱置30min，在擱置時電池的電壓保持不變。

當(dāng)電池按0.5C倍率進行放電時，其電壓瞬間減小到3.1V，伴隨放電深度不斷增加，電壓以拋物線的形式降低到截止電壓，整個放電過程持續(xù)7225s，共放出50.11Ah的容量。在放電完成以后，電池電壓突然升高到2.9V，之后在擱置時，電壓又以拋物線的形式恢復(fù)，其恢復(fù)的速度和電池放電倍率及環(huán)境溫度有直接關(guān)系。

3.2 大倍率放電條件下的電池電、熱性能

電池在一致的初始條件下以各種倍率進行放電，一直持續(xù)到截止電壓時，電池的電、熱性能完全不同。在1.0C的放電倍率條件下，電池實際放出50.00Ah的容量，在1.5C的放電倍率條件下，電池實際放出49.09Ah的容量，而在3.0C的放電倍率條件下，電池實際放出42.07Ah的容量，在放電的瞬間，電壓壓降為80mV、0.100mV和0.300mV。可見，當(dāng)放電被倍率增大時，電池實際放出的容量減少，放電時瞬間壓降增加，導(dǎo)致放電平臺降低，使放電不平穩(wěn)?？梢姡姵厥褂脮r，需減少以較大倍率進行放電，使放電平臺保持穩(wěn)定。目前，在市場上大多對超級電容器和電池進行串聯(lián)來限制放電倍率，也就是當(dāng)汽車啟動、加速與爬坡過程中借助超級電容器來提供短時電能，避免電池由于大倍率放電產(chǎn)生能量損失與熱失控現(xiàn)象[5]。

當(dāng)電池放電倍率為1.0C時，放電經(jīng)歷3241s，在放電結(jié)束后，測溫點實際溫度為31℃;當(dāng)電池放電倍率為1.5C時，放電經(jīng)歷2663s，在放電結(jié)束后，測溫點實際溫度為33℃;當(dāng)電池放電倍率為3.0C時，放電經(jīng)歷1017s，在放電結(jié)束后，測溫點實際溫度為47℃。在3.0C的倍率條件下，電池實際放電容量只有80%，表面溫度在47℃以上，已經(jīng)超出安全范圍。為了使電池的運行保持安全和穩(wěn)定，需要對使用過程中的溫度與放電倍率進行嚴(yán)格控制。

3.3 瞬時產(chǎn)熱量

電池在恒定倍率放電過程中的產(chǎn)熱流量可表示為：

當(dāng)放電倍率為1.0C時，I的值為50A，t為0-3.241×103s，a0為5.8，a1為-6×10-3，a2為3.5×10-6;當(dāng)放電倍率為1.5C時，I的值為75A，t為0-2.663×103s，a0為8.4，a1為-10×10-3，a2為12×10-6;當(dāng)放電倍率為3.0C時，I的值為150A，t為0-1.017×103s，a0為32，a1為-20×10-3，a2為66×10-6。

4 結(jié)語

綜上所述，鋰離子電池憑借較高的比能量和電壓以及與環(huán)境之間的友好性而得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)實驗與研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池的放電倍率增加時，電池可以放出的容量減小，且放電平臺降低，使其不穩(wěn)定，并導(dǎo)致電池溫度升高。如果電池以3.0C的倍率進行放電，則能放出的容量將減少到80%，同時表面溫度上升至47℃，遠(yuǎn)超允許范圍。對此，為了保證電池使用安全，需借助混合能量系統(tǒng)與輔助散熱設(shè)備，在保證續(xù)航里程基礎(chǔ)上，對電池溫度予以嚴(yán)格控制，使其高效與安全運行。另外，對輔助散熱系統(tǒng)進行配備的過程中，還應(yīng)控制電池在各類放電倍率情況下的產(chǎn)熱速率。

基金項目：本文為河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級自然科學(xué)項目《電動汽車鋰電池的熱性能分析》的課題成果，項目編號：ZR-201410。

參考文獻：

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[2]李爭，高越，王群京.基于Simscape的動力鋰離子電池的建模與仿真[J].電源技術(shù)，2017，41（11）：1533-1536.

[3]許慧娟，張新.電動汽車用鋰離子電池散熱方法研究[J].邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2019，36（03）：86-91.

[4]龔明光，朱順良，謝歡.電動汽車鋰離子電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].時代汽車，2019（04）：89-92.

[5]宋玉潔，史瑞祥，謝鑫，陶思成.純電動汽車用鋰離子電池的制造工藝與管控點[J].汽車零部件，2019（03）：87-89.

[6]陳成，邱鑫發(fā)，莊鴻濤.ANSYS對電動汽車鋰離子電池溫度場仿真確立研究[J].南方農(nóng)機，2019，50（04）：117.