NCR18650A電池的充放電溫度特性與管理*

林 濤，賴沛恒，李麗雅，韓鳳琴

NCR18650A電池的充放電溫度特性與管理*

林 濤1,2?，賴沛恒1，李麗雅1，韓鳳琴1

（1. 華南理工大學(xué)廣州學(xué)院 電氣工程學(xué)院，廣州 510800；2. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510640）

采用實(shí)驗(yàn)測試與數(shù)值仿真的方法對NCR18650A三元鋰電池組在1 ~ 3 C放電和1.6 C充電過程的溫升特性進(jìn)行測試，同時(shí)驗(yàn)證所建立電池產(chǎn)熱模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與電池產(chǎn)熱模型仿真結(jié)果之間的相對誤差在合理范圍內(nèi)，滿足工程應(yīng)用需求。電池組在自然冷卻的情況下，僅在1 C放電狀態(tài)下符合其最佳工作區(qū)間42.5 ~ 45.0℃的要求，3 C放電倍率下最高溫度為89.4℃。提出并建立基于熱電致冷主動熱管理模型，將熱電致冷組件設(shè)置在電池組上方，致冷功率為50 W時(shí)可有效控制電池組3 C放電過程的溫度，在最佳工作區(qū)間實(shí)現(xiàn)電池單體溫差小于5℃，抑制電池組的熱失效并實(shí)現(xiàn)良好的均溫性。

NCR18650A；電池?zé)峁芾?；熱電致冷；?shù)值仿真

0 引 言

隨著電動汽車強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)[1]正式發(fā)布，對動力電池的熱失控、熱擴(kuò)散與熱管理提出更加嚴(yán)格的要求。電池作為電動汽車的核心部件，其安全性與動力性能備受關(guān)注。如何對電動汽車動力電池進(jìn)行有效熱管理，以減小電池組內(nèi)部溫度差異、防止熱失控事故成為工程應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)[2-3]。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)按冷卻介質(zhì)可分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻以及其他新型冷卻方式，而主流電動汽車主要采用風(fēng)冷與液冷熱管理技術(shù)。風(fēng)冷和液冷存在設(shè)計(jì)或技術(shù)上的不足[4-5]，主要包括：風(fēng)冷技術(shù)換熱系數(shù)較低，電池降溫冷卻速度不佳及溫度均勻性難以控制，同時(shí)電池箱殼體設(shè)計(jì)困難；液體冷卻系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以維修與保養(yǎng)，成本較高且存在漏液等難題。相變冷卻系統(tǒng)利用相變材料在固?液相變過程中的潛熱來工作，以達(dá)到電池?zé)峁芾淼哪康?，其工作效率高，冷卻、加熱快，能準(zhǔn)確控溫，這些優(yōu)點(diǎn)使其在節(jié)能和系統(tǒng)微型化等方面優(yōu)勢顯著[6-7]，但相變材料研制費(fèi)用高且維護(hù)不便。熱電致冷技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、控溫精確等優(yōu)點(diǎn)，與高能量密度動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)要求相匹配[8-9]。通過對三元鋰電池在1 ~ 3 C倍率下放電和1.6 C倍率下充電過程的溫升特性進(jìn)行測試，基于電化學(xué)?熱耦合模型建立電池組仿真模型與熱量計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行對比。建立基于熱電致冷的電池組主動冷卻模型，對2 C、3 C放電倍率下致冷組件的控溫和均溫效果進(jìn)行分析。并對電池組在?10℃下進(jìn)行輔助加熱，輔助電池組熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 電池組實(shí)驗(yàn)分析

當(dāng)鋰離子電池處于高溫條件下，其溫度上升，電解液活性增強(qiáng)，鋰離子的傳送速度加快，即鋰離子電池的輸出功率會增大；相反，當(dāng)鋰離子電池處于低溫環(huán)境下，電極的反應(yīng)速率降低，鋰離子傳送速度減慢，導(dǎo)致電池性能減弱[10]。本文以三元鋰電池（NCR18650A）為研究對象，對其溫升特性進(jìn)行測試。三元鋰電池的主要參數(shù)如表1所示，圖1所示為測試電池產(chǎn)熱的模組圖。為保證實(shí)驗(yàn)的單一變量，實(shí)驗(yàn)均在常況（25±2℃，相對濕度 ≤ 75%，壓強(qiáng)為101.325 kPa）下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用50 V/20 A新威電池充放電柜進(jìn)行電池充放電，使用QWO27OW15高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度測試，同時(shí)使用安捷倫34972 A進(jìn)行電池組的溫度采集。

表1 三元鋰電池（NCR18650A）技術(shù)參數(shù)

圖1 測試電池產(chǎn)熱的模組圖

1.1 電池組放電效率測試

實(shí)驗(yàn)電池組組成形式為十串兩并，對該電池組放電效率進(jìn)行測試，設(shè)置放電電流為1.2 A（0.2 C），放電截止電壓為27.5 V，充電電壓為43.5 V，充電電流為3 A（0.5 C），截止電流為0.12 A（0.02 C），當(dāng)電流達(dá)到0.12 A時(shí)，停止充電，電池組為滿電狀態(tài)且擱置10 min。再分別設(shè)置高低溫試驗(yàn)箱的內(nèi)部溫度為?5℃、0℃、10℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃，相對濕度統(tǒng)一為40%。將滿電電池組放入高低溫試驗(yàn)箱中，使得電池組溫度達(dá)到箱體設(shè)定溫度值后，對電池組進(jìn)行恒流放電，當(dāng)電壓降低至27.5 V，自動停止放電，電池組為空電狀態(tài)。圖2所示為不同環(huán)境溫度下三元鋰電池組的放電效率。

圖2 不同環(huán)境溫度下電池組的放電效率

由圖2可知，當(dāng)三元鋰電池在環(huán)境溫度為?5~ 50℃區(qū)間內(nèi)，其放電效率呈倒U型曲線，且存在最大放電效率點(diǎn)（92%）。當(dāng)環(huán)境溫度在20 ~ 35℃過程中，電池放電效率不斷提高，表明一定的溫升可促進(jìn)電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)，也加快鋰離子傳輸?shù)男剩岣唠姵氐姆烹娦?。?dāng)三元鋰電池組處于環(huán)境溫度低于18℃或高于48℃時(shí)，其放電效率都低于80%。

1.2 電池組溫升測試

在進(jìn)行電池組1 ~ 3 C放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，先采用恒流恒壓充電，設(shè)置充電電壓為43.5 V，充電電流為3 A（0.5 C），截止電流為0.12 A（0.02 C），當(dāng)電流達(dá)到0.12 A時(shí)，停止充電，擱置10 min。然后電池組進(jìn)行恒流放電，分別設(shè)置放電電流為6 A（1 C）、12 A（2 C）和18 A（3 C），截止電壓為27.5 V，擱置30 min后，取出電池組。在1.6 C充電實(shí)驗(yàn)中，取空電電池組進(jìn)行恒流恒壓充電，設(shè)置充電電壓為43.5 V，充電電流為9.6 A（1.6 C），截止電流為0.12 A（0.02 C），當(dāng)電流減小至0.12 A時(shí)，停止充電，測試結(jié)果如圖3所示，其中CH01 ~ CH04分別代表1號 ~ 4號電池表面溫度隨時(shí)間的變化趨勢。

由圖3a ~ 圖3c可知，當(dāng)電池分別以1 C、2 C、3 C放電倍率恒流放電時(shí)，電池表面最高溫度分別為45.1℃、65.9℃、78.4℃，電池表面溫度與初始溫度的最大差值分別為19.3℃、40.6℃、53.1℃。三組測試結(jié)果表明，放電倍率越大，電池組產(chǎn)生熱量越多，且隨放電電流的增大，電池組的熱量不斷積累導(dǎo)致溫度不斷升高。因NCR18650A電池組的最佳工作溫度區(qū)間為18 ~ 45℃，測試結(jié)果表明僅在1 C放電倍率下電池組的溫度區(qū)間處于其最佳溫度范圍，而2 C和3 C放電倍率下電池組最高溫度均超過其最佳工作溫度的范圍。

由圖3d可知，電池組以1.6 C充電倍率恒流恒壓充電時(shí)，電池單體的最高溫度為41.6℃，電池單體溫度與初始溫度的最大差值為16℃。電池組整體溫升在可控范圍且溫度場分布均勻，滿足最佳工作溫度區(qū)間0 ~ 45℃。

2 電池組產(chǎn)熱模型與分析

由于電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)產(chǎn)熱[11]、傳熱的差異性，電池在工作過程中表面溫度場分布不均，不同型號的鋰離子電池表面溫度在軸向及周向上呈現(xiàn)不同的分布特征[12-14]。極端條件下，由若干鋰離子電池單體組成的電池模組溫度分布不均現(xiàn)象可能隨電芯的緊密布置而被放大，導(dǎo)致整個(gè)電池包溫差增大，影響電池包的綜合性能。因此，分析電池單體熱特性及產(chǎn)熱機(jī)理，建立準(zhǔn)確的動力電池產(chǎn)熱模型，有益于鋰離子電池組的溫度精確控制。本文建立電化學(xué)?熱耦合模型，模型從電池的生熱反應(yīng)來描述電池?zé)嵝?yīng)的行為，屬于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，其能量守恒方程為：

式中：為電池單位體積生熱速率，K/min；ρ為電池材料的平均密度，kg/m3；C,k為電池的平均比熱容，J/(kg?K)；λ為電池在特定方向上的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)，為不同電池編號。鋰離子電池的實(shí)際產(chǎn)熱情況較為復(fù)雜，因此在BERNARDI等[15]對電池設(shè)計(jì)過程的證實(shí)后，式（1）可簡化為[16]：

式中：為溫度，K；為時(shí)間，s；為電池材料的平均密度，kg/m3；λ、λ、λ分別為電池三維正交方向上的導(dǎo)熱系數(shù)；C為電池的定壓比熱容，J/(kg?K)。產(chǎn)熱模型采用BERNARDI等[17]和YANG 等[18]建立的電池充放電過程生熱速率數(shù)學(xué)模型，其簡化形式表達(dá)式為：

式中：b為電池的體積，m3；為電池充放電的電流，A；0為鋰離子電池?cái)嗦窌r(shí)的兩端電壓，V；1為鋰離子電池的端電壓，V；d0/d為溫度影響系數(shù)，V/K。通過對生熱速率模型的分析計(jì)算，三元鋰電池組不同充放電倍率下的生熱速率如表2。

電池組模型由三元鋰電池內(nèi)部熱源和外殼構(gòu)成，外殼的幾何尺寸為265 mm × 61 mm × 105 mm，極柱半徑15 mm、高10 mm，采用4組電池平行排列，間距為10 mm。外殼材料為鋼，具體參數(shù)見表3。壁面的邊界條件設(shè)置為絕熱條件，壓力梯度設(shè)置為0，初始溫度設(shè)置為25℃。

表2 不同充放電倍率下電池組的生熱速率

表3 電池組材料屬性參數(shù)

在1 ~ 3 C放電倍率和1.6 C充電倍率下，三元鋰電池組的溫度場分布情況如圖4所示。

由圖4a ~圖4c可知，電池分別以1 C、2 C、3 C放電倍率放電時(shí)，電池組表面的最高溫度top分別為48.7℃、67.9℃、89.4℃。與環(huán)境溫度的最大差值?為23.7℃、42.9℃、64.4℃。電池組中單體電池最大溫差Δ分別為6.5℃、12℃、28.4℃。

圖4d中電池組在1.6 C的充電倍率下快充，電池組表面最高溫度為42.3℃，與環(huán)境最大溫差為17.3℃，電池組中的單體最大溫差為4.6℃，表面溫度分布均勻性好。由表4中不同充放電倍率下電池組溫度變化情況可知，當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，電流增大，電池組的生熱速率越大，其溫升就越高。

表4 不同充放電倍率下電池組溫度變化

綜上所述，以2 C放電倍率下電池組的溫度場變化情況進(jìn)行測試與仿真的結(jié)果對比，如表5所示，溫度值相對誤差在6%以內(nèi)，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。表明該電池組仿真模型的產(chǎn)熱機(jī)理與實(shí)際電池產(chǎn)熱特性基本一致，該電池組數(shù)值仿真模型可有效預(yù)測電池組的實(shí)際充放電溫度特性。

表5 2 C放電倍率下電池組溫度仿真與測試的對比數(shù)據(jù)

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)電池組的安全性與可控性，提出基于熱電致冷技術(shù)的主動冷卻方案，以滿足不同工況的控溫需求，解決電池組因溫度分布不均引起的熱失控問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，熱電致冷組件包括致冷片、翅片、導(dǎo)熱硅膠、散熱風(fēng)扇等，致冷功率為50 W。當(dāng)電池組溫度過高，熱電致冷組件啟動，冷端風(fēng)扇促進(jìn)循環(huán)并帶走電池組工作時(shí)產(chǎn)生的熱量，降低電池組溫度至設(shè)定值。熱端風(fēng)扇散熱，提高組件的致冷性能。當(dāng)電池組溫度過低，將切換為制熱模式。

圖5 熱電致冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用ANSYS有限元分析軟件建立的熱電組件電池組流固耦合模型，采用標(biāo)準(zhǔn)的-epsilon（2-eqn）湍流模型；電池組參數(shù)如表3。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為7 500 r/min，鋁質(zhì)翅片，電池組不同充放電倍率的生熱速率如表2；對流傳熱系數(shù)為10 W/(m2?K)[19]。由于電池箱體內(nèi)部的溫度維持在20 ~ 30℃，環(huán)境溫度設(shè)定為25℃。散熱系統(tǒng)仿真以電池組2 C和3 C放電倍率為例。2 C和3 C工況下仿真結(jié)果如圖6和圖7所示，且電池組開始溫度分別為65.9℃和78.4℃。

從圖6和圖7中2 C和3 C放電倍率下散熱溫度場分布云圖可以看出，熱電致冷組件均處于電池組正常工作溫度區(qū)間，同時(shí)該電池組及箱體溫度場分布均勻、散熱效果好。可見采用熱電致冷組件的冷卻方式可行，能有效實(shí)現(xiàn)電池組的控溫與均溫，提高電池組的放電效率并延長電池組的使用壽命。當(dāng)系統(tǒng)處于?10℃環(huán)境下，采用熱電組件的逆過程對電池組進(jìn)行加熱，其溫度場分布如圖8所示，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表6。

圖6 2 C放電倍率下電池組及箱體的溫度場云圖

圖7 3 C放電倍率下電池組及箱體的溫度場

圖8 組件熱端在不同加熱條件下電池組及箱體的溫度場

表6 電池組加熱溫度場數(shù)據(jù)

由圖8可知，TEC組件熱端溫度h從45℃升高到75℃的過程中，電池表面的溫度分布逐漸均勻，當(dāng)熱電組件熱端溫度處于75℃時(shí)，電池箱體內(nèi)的電池組表面溫度均維持在35℃，達(dá)到該電池組的最佳放電效率溫度值。以上結(jié)果表明，熱電組件的升溫響應(yīng)迅速，是電池組均勻性和高效性的重要保障。當(dāng)熱電致冷組件熱端溫度為75℃，電池表面的溫度區(qū)間達(dá)到該電池組的最佳工作溫度區(qū)間，放電效率為80%左右。

4 結(jié) 論

以NCR18650A三元鋰電池作為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)測試電池組在不同充/放電倍率下的溫升特性；并基于產(chǎn)熱機(jī)理建立電池產(chǎn)熱模型進(jìn)行仿真分析與可行性驗(yàn)證，溫度場仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果相對誤差小于6%，滿足工程需求。利用ANSYS建立熱電致冷的電池組流固耦合熱管理模型，分析不同工況下的熱管理效果。當(dāng)安置在電池組上方的致冷組件致冷功率為50 W時(shí)，可有效抑制電池組3 C放電倍率下的溫升，電池組工作溫度保持在48℃以下，保障電池組溫差場的一致性，同時(shí)滿足電池組在1.6 C倍率下充電的散熱需求。當(dāng)熱電致冷組件熱端溫度達(dá)到75℃時(shí)，可以滿足系統(tǒng)處于?10℃環(huán)境下維持在最佳工作溫度35℃。

[1] 國家市場監(jiān)督管理總局, 國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. 電動汽車安全要求: GB 18384-2020[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2020.

[2] YANG W, ZHOU F, ZHOU H B, et al. Thermal performance of cylindrical lithium-ion battery thermal management system integrated with mini-channel liquid cooling and air cooling[J]. Applied thermal engineering, 2020, 175: 115331. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2020. 115331.

[3] 程浩, 白國軍, 王記磊, 等. 電動汽車用電池管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化探究[J]. 自動化儀表, 2020, 41(5): 19-22. DOI: 10.16086/j.cnki.issn1000-0380.2019050038.

[4] 金遠(yuǎn), 韓甜, 韓鑫, 等. 鋰離子電池?zé)峁芾砭C述[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2019, 8(S1): 23-30. DOI: 10.19799/j. cnki.2095-4239.2019.0218.

[5] DUH Y S, LIU X Z, JIANG X P, et al. Thermal kinetics on exothermic reactions of a commercial LiCoO218650 lithium-ion battery and its components used in electric vehicles: a review[J]. Journal of energy storage, 2020, 30: 101422. DOI: 10.1016/j.est.2020.101422.

[6] 洪文華. 相變材料在鋰離子動力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2019.

[7] 吳偉雄. 基于相變材料的電池?zé)峁芾硇阅苎芯縖D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2019.

[8] 林濤, 劉泉源, 楊光, 等. 動力電池?zé)峁芾黼娐芳皽乜匦Ч难芯縖J]. 電源技術(shù), 2019, 43(5): 849-852. DOI: 10.3969/j.issn.1002-087X.2019.05.036.

[9] 張玉龍, 楊世春, 鄧成, 等. 基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[J]. 電源學(xué)報(bào), 2017, 15(2): 121-127. DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2017.2.121.

[10] 李新靜, 張佳瑢, 魏引利, 等. 鋰離子動力電池的溫升特性分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 32(6): 908-912. DOI: 10.14136/j.cnki.issn1673-2812.2014.06.026.

[11] 金標(biāo), 張靜秋, 高俊國, 等. 電動汽車用軟包動力鋰電池?zé)?結(jié)構(gòu)耦合分析[J]. 可再生能源, 2016, 34(4): 563-567. DOI: 10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2016.04.015.

[12] WU W X, WU W, WANG S F. Form-stable and thermally induced flexible composite phase change material for thermal energy storage and thermal management applications[J]. Applied energy, 2019, 236: 10-21. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.11.071.

[13] PAN Y W, HUA Y, ZHOU S D, et al. A computational multi-node electro-thermal model for large prismatic lithium-ion batteries[J]. Journal of power sources, 2020, 459: 228070. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2020.228070.

[14] 楊勇. 18650鋰離子電池產(chǎn)熱模型及運(yùn)用研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2018.

[15] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems[J]. Journal of the electrochemical society, 1985, 132(1): 5-12. DOI: 10.1149/1.2113792.

[16] 辛乃龍. 純電動汽車鋰離子動力電池組熱特性分析及仿真研究[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2012.

[17] BERNARDI D, PAWLIKOWSKI E, NEWMAN J. A general energy balance for battery systems[J]. Journal of the electrochemical society, 1985, 132(1): 5-12. DOI: 10.1149/1.2113792.

[18] YANG N X, FU Y H, YUE H Y, et al. An improved semi-empirical model for thermal analysis of lithium-ion batteries[J]. Electrochimica acta, 2019, 311: 8-20. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.04.129.

[19] PESARAN A A, BURCH S, KEYSER M. An approach for designing thermal management systems for electric and hybrid vehicle battery packs[C]//The Fourth Vehicle Thermal Management Systems Conference and Exhibition. London: OSIT, 1999: 1-16.

NCR18650A Battery Charging and Discharging Temperature Characteristics and Management

LIN Tao1,2, LAI Pei-heng1, LI Li-ya1, HAN Feng-qin1

(1. School of Electrical Engineering, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800, China; 2. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

In order to analyze the temperature rise characteristics of ternary lithium battery during charging and discharging at different rates, the temperature rise characteristics of NCR18650A ternary lithium battery pack during 1-3 C discharge and 1.6 C charging process were tested by experimental test and numerical simulation, and the accuracy of the battery heat generation model was verified. The deviation between the tested result and the simulated result was within a reasonable range, meeting the requirements of engineering application. Under the condition of natural cooling, the battery pack only met the requirements of its best working range of 42.5-45.0oC under 1 C discharge state, and the maximum temperature under 3 C discharge rate was 89.4oC. In order to improve the working performance and safety of power battery, the active thermal management model of thermoelectric refrigeration was established. The thermoelectric cooling module was set above the battery pack. When the cooling power was 50 W, it can reduce the temperature of the battery pack under the 3 C discharge rate and realize that the temperature difference of the battery unit was less than 5oC, effectively suppress the thermal failure of the battery pack and achieve good temperature uniformity.

NCR18650A; battery thermal management; thermoelectric refrigeration; numerical simulation

2095-560X（2020）06-0455-07

TK11

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2020.06.002

林 濤（1990-），男，博士，講師，主要從事動力電池?zé)峁芾怼δ芗夹g(shù)的研究。

2020-07-17

2020-09-08

廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（CQ1700007）；廣東省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（CQ1700003）；廣東省科技創(chuàng)新戰(zhàn)略專項(xiàng)資金（大學(xué)生科技創(chuàng)新培育）立項(xiàng)項(xiàng)目（pdjh2020b0818）

林 濤，E-mail：Lint@gcu.edu.cn