電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池低溫脈沖加熱技術(shù)研究

鄒岱江　唐小波　秦宇迪　曹晟閣　李香杰

摘 要：電池在低溫環(huán)境中面臨衰減和安全問(wèn)題。在低溫充電條件下，活化阻抗的增加導(dǎo)致了負(fù)極表面電位的下降，同時(shí)伴隨著析鋰副反應(yīng)發(fā)生。此外，電解液的鋰離子電導(dǎo)率也會(huì)下降，這意味著在活性材料中鋰離子的擴(kuò)散速率也會(huì)減緩。因此，為實(shí)現(xiàn)電池低溫充電速度提升，本文提出電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池低溫脈沖加熱技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)電池系統(tǒng)低溫快速加熱方法，實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下電池的安全快速充電。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 脈沖加熱 低溫脈沖

0 引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，發(fā)現(xiàn)脈沖充電在減少電池極化、延長(zhǎng)電池壽命、減少電池析鋰等方面存在潛在的優(yōu)勢(shì)，該方法不僅可能應(yīng)用于大功率快速充電領(lǐng)域，因其在耐久性方面的特點(diǎn)在其他應(yīng)用方面也有潛在的商用化可能[1]。其次，脈沖充電的波形、頻率等存在極大的多樣性。脈沖充電的不同頻率選擇會(huì)影響電池的阻抗，既可以在低溫情況下利用脈沖充電產(chǎn)生大量熱，將電池迅速升溫，同時(shí)利用脈沖充電對(duì)電池壽命沒(méi)有負(fù)面影響的特點(diǎn)[2]。因此，本文針對(duì)低溫脈沖加熱技術(shù)進(jìn)行研究，通過(guò)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究，得到脈沖參數(shù)與脈沖加熱速率的基本規(guī)律，也初步證明脈沖加熱方法的可行性。然后，搭建基于二階RC電路的熱電耦合模型，成功對(duì)脈沖加熱過(guò)程予以模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻低倍率脈沖加熱過(guò)程的精確仿真。最后，開(kāi)展電池的耐久性實(shí)驗(yàn)，探究脈沖參數(shù)對(duì)電池容量衰減的影響。通過(guò)參比電極實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明脈沖幅值和溫度對(duì)電池壽命的影響與對(duì)加熱速率的影響。

1 電池低溫脈沖加熱技術(shù)分析

1.1 脈沖加熱的基本產(chǎn)熱原理

鋰離子電池產(chǎn)生熱量的原因主要有兩個(gè)方面。首先，電池會(huì)產(chǎn)生焦耳熱，這是由于電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱能。其次，電池還會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)熱，這是由于電池正負(fù)極材料之間的化學(xué)反應(yīng)所釋放出的熱量。此外，電池內(nèi)部物質(zhì)的濃度變化也會(huì)導(dǎo)致混合過(guò)程中的熱量釋放[3]。還有一些副反應(yīng)，除了鋰離子的嵌入和脫嵌反應(yīng)之外，也會(huì)產(chǎn)生額外的熱能?？偟膩?lái)說(shuō)，混合熱和副反應(yīng)熱的數(shù)值通常較小，但仍然需要考慮在電池設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的影響。

電池的焦耳熱可表示為：

其中； 表示為電池的焦耳熱；表示為電池的極化產(chǎn)熱；表示為電池的歐姆內(nèi)阻； 表示為電池的極化內(nèi)阻； 表示為流過(guò)電池的電流。

電池的反應(yīng)熱可表示為：

為電池的反應(yīng)熱，為電池的絕對(duì)溫度，為電池的開(kāi)路電壓， 為流過(guò)電池的電流，稱(chēng)為電池的熵變。

則電池的產(chǎn)熱功率可表示為：

由上述產(chǎn)熱來(lái)源分析可知，低溫時(shí)電池的內(nèi)阻急劇增加，從25℃到-20℃內(nèi)阻會(huì)增大一個(gè)數(shù)量級(jí)左右，電池的焦耳產(chǎn)熱會(huì)增加對(duì)應(yīng)倍數(shù)。另外，電池的焦耳熱相較電池的反應(yīng)熱大兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右，因此電池產(chǎn)熱功率主要來(lái)自與電池的焦耳熱，即電池的內(nèi)阻產(chǎn)熱。對(duì)鋰離子電池利用自身內(nèi)阻加熱的功率可進(jìn)行初步估算，若電流為2C，外部環(huán)境-20℃，內(nèi)阻20mΩ，則可產(chǎn)生約為200W的熱功率，考慮上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的比熱容和質(zhì)量，則約4-5s即可將電池加熱1℃。4C幅值下周期對(duì)溫升速率的影響如圖1所示：

圖1 4C幅值下周期對(duì)溫升速率的影響

脈沖加熱速率隨著周期的增大而增大，在周期時(shí)長(zhǎng)為秒級(jí)別（1s左右至10s左右）的實(shí)驗(yàn)中，選取多個(gè)脈沖參數(shù)，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示上述規(guī)律有較好的重復(fù)性。在600s的時(shí)間內(nèi)，周期為0.8s和周期為12.8s的組別溫升相差2℃，總溫升則分別為6℃與8℃，則初步表明脈沖周期對(duì)于脈沖加熱速率有較大的影響。在600s時(shí)，0.1s和0.8s相差4.1℃，總溫升分別為34.5℃和38.6℃。通過(guò)以上分析，可得到大倍率下溫升速率更快的初步結(jié)果。

1.2 電池低溫特性測(cè)試

電池的充放電容量會(huì)隨著溫度的降低而降低，即鋰離子電池的低溫可用容量降低，在實(shí)際應(yīng)用中將導(dǎo)致低溫環(huán)境下可充入電量降低甚至無(wú)法正常充電，可放出的電量也隨之下降，這也是冬季用車(chē)?yán)锍探箲]的主要原因。該鋰離子電池在常溫下容量為52.34Ah（Battery A）和52.27Ah（Battery B）。隨環(huán)境溫度的下降，可用容量的降低十分明顯。不同溫度和倍率下電池的容量變化如圖２所示：

溫度從25℃到0℃，容量降低約11%；溫度降至-20℃時(shí)，則至少有30%的降低。另外，隨著倍率減小，電池容量有所上升。主要原因?yàn)殡姵氐臉O化電壓隨倍率上升和溫度降低而增大，過(guò)早到達(dá)截止電壓，實(shí)際循環(huán)中的充放電容量有所減少。

2 熱電耦合模型搭建

2.1 二階RC電路的熱電耦合分析

熱電耦合模型主要由鋰離子電池的電路模型或電化學(xué)模型，與產(chǎn)熱和傳熱模型組成。脈沖過(guò)程的電模型使用二階RC模型構(gòu)建[4]。二階RC模型如圖３所示：

其中，圖2中的 表示為理想電壓源； 表示為歐姆內(nèi)阻； 、 表示為兩階極化內(nèi)阻； 、 表示為兩個(gè)與極化內(nèi)阻相并聯(lián)的電容。在二階RC模型中，上述六個(gè)參數(shù)共同決定了在某一電流作用下電池的電壓響應(yīng)?，F(xiàn)有的二階RC模型的參數(shù)辨識(shí)方法有基于最小二乘法的辨識(shí)、基于遺傳算法的辨識(shí)等。

在本研究中，種族大小設(shè)定為200，代數(shù)設(shè)定為1000代，容忍度設(shè)置為。二階RC模型的極化電阻兩端的瞬態(tài)電壓可表示為：

其中為仿真步長(zhǎng)， 與 為時(shí)間常數(shù)。

則電池的端電壓可表達(dá)為：

通過(guò)上述關(guān)系，即可基于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電流數(shù)據(jù)計(jì)算上述電壓值，從而得到基于二階RC模型的估計(jì)電壓。

2.2 低頻低倍率脈沖加熱實(shí)驗(yàn)分析

進(jìn)行幅值為1C，正負(fù)幅值比1：1，周期為40s的脈沖加熱實(shí)驗(yàn)，電池SOC為50%，溫箱環(huán)境為-16.6℃。將實(shí)驗(yàn)電流數(shù)據(jù)輸入前述構(gòu)建完成的二階RC電路模型和與其耦合的熱模型，得到低頻低倍率端電壓估計(jì)結(jié)果如圖４所示：

在加熱初期，估計(jì)溫度偏高。在加熱后期，估計(jì)溫度偏低。主要原因可能是電池的散熱情況，即決定熱模型熱交換功率的部分存在一定的誤差。對(duì)流換熱系數(shù)在實(shí)際過(guò)程中，會(huì)因?yàn)闇叵涞倪\(yùn)行狀態(tài)和出風(fēng)口的流量、溫度而存在一定的波動(dòng)[5]。

2.3 耐久性實(shí)驗(yàn)

將脈沖電流持續(xù)作用于被測(cè)試電池，在一定時(shí)長(zhǎng)后通過(guò)基本的充放電循環(huán)，測(cè)試電池的容量衰減情況。本文選擇10塊被測(cè)電池，均處于50%SOC，分別予以不用的脈沖參數(shù)與環(huán)境溫度。10塊電池的具體參數(shù)和穩(wěn)定的測(cè)試溫度如表1所示。

在低溫環(huán)境充分靜置、脈沖加熱到一定溫度或持續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)、撤去脈沖靜置冷卻、再低溫靜置并準(zhǔn)備開(kāi)始下一次加熱等過(guò)程較為耗時(shí)，其中有效加熱過(guò)程一般為5-10min，而前后的充分靜置和散熱過(guò)程需要5-8h。本研究將溫箱設(shè)定為某一溫度后，將電池在某一參數(shù)下進(jìn)行持續(xù)的脈沖作用，最終電池的溫升與散熱達(dá)到穩(wěn)定值，電池溫度不再顯著上升，繼續(xù)在此狀態(tài)下持續(xù)產(chǎn)熱。

觀察電池A～J容量衰減情況如圖５所示：

在相同的脈沖參數(shù)下，溫度越低壽命衰減越快，但相同參數(shù)溫度不同的電池之間的衰減情況差別不大，相比之下幅值和周期對(duì)于壽命的影響更為明顯。首先以電池A和電池C為例，當(dāng)周期從4s變?yōu)?0s擴(kuò)大10倍后，電池C有明顯的容量下降趨勢(shì)，700h左右衰減1.2%，而電池A則沒(méi)有明顯的容量衰減跡象。以電池A和電池I為例，二者溫度基本一致，周期相同，幅值分別為2C和4C，I的衰減明顯快于A，100h時(shí)I比A多衰減0.6%。以電池D和電池J為例，二者溫度基本一致，幅值均為4C，周期分別為1.8s和8s，170h時(shí)J比D多衰減1.8%。

綜上，脈沖周期、脈沖幅值和溫度對(duì)電池的壽命都有較為明顯的影響，其中周期和幅值的影響更為顯著。因此也可得出電池在脈沖加熱作用下的溫升速率與壽命存在權(quán)衡取舍這一結(jié)論。

3 結(jié)論

本文的研究對(duì)象是低溫脈沖加熱技術(shù)。通過(guò)進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究，得到了脈沖參數(shù)與脈沖加熱速率之間的基本規(guī)律。同時(shí)，也初步證明了脈沖加熱方法的可行性。這項(xiàng)研究對(duì)于深入了解低溫脈沖加熱技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用具有重要意義，為進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)該技術(shù)提供了有價(jià)值的參考。在進(jìn)行電池耐久性實(shí)驗(yàn)時(shí)，旨在研究脈沖參數(shù)對(duì)電池容量衰減的影響。此外，本文還通過(guò)參比電極實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證，以證明脈沖幅值和溫度對(duì)電池壽命的影響與對(duì)加熱速率的影響存在著相反的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加脈沖幅值和降低溫度會(huì)延長(zhǎng)電池的壽命。這一技術(shù)研究在電池研究領(lǐng)域具有重要的理論和實(shí)際意義。

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