当前页面 : 首页 > 快讯 > 正文 >

锂离子电池放电过程瞬态生热特性分析|环球热讯

来源:懂车帝 时间: 2023-04-04 10:04:26

锂离子电池由于具有高电压、 低自放电率、高 比能量、好循环性能和无污染等优点,使其近年来 在纯电动汽车上的应用越来越多。电池在放电过程 中的产热和散热对电池本身的性能和使用寿命有 着重要的影响,目前国内外已有很多关于锂离子电 池的产热特性方面的研究[1-2],它们大多采用 1985 年 美国加州大学伯克利分校的 Bernardi 等[3 针对电池系统提出的一种通用的产热基本理论。Kim 等[4-5]将 电池的产热分为两部分,分别是由于电荷转移引起 的反应热以及由欧姆内阻引起的欧姆热。

其中反应 热包含由电势差引起的不可逆热和可逆熵热,通过 该思路建立生热率模型,模拟出不同放电倍率下的 温度分布, 并进行了试验验证;2011 年 Bandhauer 等[6]将放电过程中的生热率分为存储在电池中的热 量和电池表面与外界换热散失的热量,估算出电池的 生热率。近几年,有不少学者针对熵热系数(dU/dT)进 行了研究。


(资料图片)

2013 年,任保福等[7]测量了锂离子电池的 内阻和熵变,认为熵变仅与荷电状态有关,与环境 温度无关,充电过程表现为吸热反应,放电过程表 现为放热反应;2015 年,吴彬等[8]通过试验,测得锂离 子电池不同荷电状态下的熵热系数, 并对比分析了 熵热系数的变化趋势;2016 年,云凤玲等[9]通过对高 镍锂离子动力电池循环试验, 测得前后熵热系数的 变化,分析了循环前后电池表面温度分布。综上,现 有相关研究中大都采用某一固定的经验常数或通 过数量有限的不同放电深度下的试验值来表征锂 电池放电过程中熵热系数,这一处理难以反映熵热 系数的瞬态变化特征。

本文为探索纯电动汽车用锂离子电池在放电 过程中的瞬态生热特性,首先通过实验的方法测量 出不同放电倍率下的温升和不同环境温度条件下 的放电内阻,得到内阻随温度的变化关系;随后运 用通用的产热基本理论,计算得到电池在不同放电 倍率下的瞬态生热率;通过 0.5C 放电倍率下的瞬 态生热率,计算得出熵热(可逆反应热)系数变化曲 线,分析电池内阻特性和瞬态熵热特性对温度变化 的影响。

1 试验对象及方法

1.1 研究对象

试验采用某公司生产的软包装叠片锂离子动 力电池,电池单体型号为 26ENAO3300209。为防止 电池在测试期间性能的不稳定,实验前和实验后均 在同温度、 同放电倍率下进行容量测试和内阻测试。通过对比,试验后其容量减小 1.4%,内阻约增 大 2.4%。容 量 和 内 阻 变 化 不 大 , 符 合 国 标 GB/ 31467.2-2015 中容量变化小于 5%的要求, 电池在 测试后仍然保持较好的充放电能力,所以试验数据 对该类电池具有代表性。试验电池及热电偶布置如 图 1 所示,规格参数见表 1。试验设备包括恒翼能 动力电池测试系统、高低温防爆试验箱及 TP700 多 路温度测量仪等。

1.2 内阻测试

电池内阻测量比较常用的是混合脉冲功率特 性 HPPC(hybrid pulse power characterzation)测试方 法,另一种是国家标准化管理委员会发布的《电动 汽车用锂离子动力蓄电池包和系统测试规程》(GB/ T 31467.2-2015)。结合以上测试方法和文献[10],测量电池在不同环境温度和放电深度 DOD(depth of discharge)下的内阻。

测试方 法:将 电 池 恒 流(1C)、恒 压(截 止 电 流 0.1C)充电到 4.2 V,静置 1 h,然后放置到高低温防 爆箱,设定恒温温度 30 ℃,直至 电池温度达 到 30 ℃;1C 放电 10 s,静置 40 s,1C 充电 10 s;然后 1C 放电 6 min,进入下一个荷电状态的测点,静置 1 h;再重复上述步骤,直至达到截止电压 2.75 V。

1.3 温度测试

1.3.1 放电温升测试

测量电池在环境温度 30 ℃时不同放电倍率下 的温升数据。使用 T 型热电偶,在电池表面上布置 8 个测点,其中在 P、N 点分别测量正、负极耳的温 度,测点 1~6 分布在电池极板的两侧(如图 1 所示);使用绝热材料(如绝热气凝胶)对电池表面进行双 层包裹,并夹紧固定。

放电测试前将电池放置在防爆箱中, 将其充 满电,然后用保温材料(绝热气凝胶)进行包裹,恒 温 30 ℃静置 2 h, 然后进行不同放电倍率下的温 升测试。

1.3.2 静置温降测试

电池在放电温升测试过程中,由于对流传热和 辐射传热会产生一部分热量损失,需要求出对流传 热系数和辐射传热系数。根据 Chen 等[11]提出的方 法, 将对流传热系数和辐射传热系数进行简化,转 化为折合换热系数,表示为

Ohda 等[12]通过试验测得锂离子电池比热容在 一定温度范围内变化不大,据此假设电池比热容不 随温度的变化而变化,保持放电温升后的环境状态 不变,测量静置过程中温度变化,结果如图 2 所示。拟合得出折合换热系数为

为电池的表面积。

在本试验环境下,通过计算得出折合换热系数 hcomb=2.90(W/m2 ·K),将用于计算电池的生热率。

2 实验结果

2.1 内阻特性

电 池 内 阻 在 不 同 环 境 温 度 下 放 电 过 程 中 随 DOD 的变化如图 3 所示。可以看出,电池在 10~50 ℃环境下, 内阻 在 DOD 0~90%期间变化 不大,在 DOD 90%~100%期间迅速增大;在-10~0 ℃环境下, 内阻在 DOD 10%~80%期间变化不大, 而在放电初 期和末期迅速增大。随着环境温度的减小,电池内 阻逐渐增大,其中放电过程的起始和结束阶段更加 明显,曲线呈现凹形。

将不同环境温度下的内阻求平均值,如图 4 所 示。可以看出,电池平均内阻随着环境温度的升高 而下降。根据 Yazdanpour 等[13-14]关于内阻与温度之 间的关系,将电池平均内阻与温度拟合为

2.2 温升特性

图 5 为电池在高低温防爆试验箱恒温 30 ℃、 两层保温材料包裹条件下, 分别在 0.5C、1C、1.5C、 2C、2.5C、3C 放电倍率时各测点的温度变化。可以 明显地看出,在 0.5C 和 1C(如图 5(a)~(b))放电过 程中,电池温度的变化曲线呈现先增大后略降低再 增大的趋势, 在放电末期 有 一 小 段 温 度 波 动;在 1.5C~3C(如图 5(c)~(f))放电过程中,温度波动逐 渐不明显,电池上升的温度随着放电时间几乎成线性增大。这是由于随着放电倍率的增大,不可逆阻 抗热的增加量远大于可逆反应热的增加量,将可逆 反应热的变化对总热量的变化影响逐渐稀释。

3 热特性分析

3.1 瞬时生热率

电池在放电过程中,电池极板上存在一定的温 差,由于绝大部分区域的温差不大(如图 5 所示), 所以将极板各测点值根据代表的中心区域比例取 平均,得出电池的平均温度,作为电池的温度,即

根据电池表面的能量平衡,估算出放电过程中 的生热率,为

式中:等号右侧第 1 部分代表单位时间存储在电池 中的热量,等号右侧第 2 部分代表单位时间电池表 面与外界恒温环境通过对流换热散失的热量。

通过式(5)计算出不同放电倍率条件下锂电池 瞬时生热率随 DOD 的变化关系,如图 6 所示。可以 看出,各放电倍率下的生热率都是先增大后减小再 增大的一个过程,整个放电过程生热速率成一定的 波动性, 第一段波谷出现在 40%~60% DOD 之间, 第二段波谷出现在 85%~95% DOD 之间;随着放电 倍率的增大,两波谷值向后移动。

根据 Bandhauer 等[6]提到的电池产热简化机理, 电池产热主要来源于不可逆内阻热和可逆反应热 (即熵热)。由于电池内阻在 DOD 0~90%期间变化不 大,所以引起生热率在放电过程中波动主要来源于 可逆反应热即熵热。

3.2 熵热特性

3.2.1 0.5 C 倍率下瞬态生热分析

根据电池产热简化机理,放电电流越小,可逆 反应热在电池产热所占的比重越大。本文选用 0.5 C 放电倍率下的瞬时生热率计算出可逆反应生热 率,进而计算出熵热系数。

由式(3)得出在不同温度下的电池内阻,根据 图 5(a)电池 0.5C 放电过程中的温升得出内阻生热 率;忽略放电过程中温度对比热容的影响, 计算 0.5C 放电倍率的熵热生热率。内阻生热率、熵热生 热率与总生热率之间的关系如图 7 所示。

由图 7 可以看出,在 0.5C 倍率放电过程中,熵 热生热率的变化趋势与总生热率相一致,出现 2 次 波谷, 说明熵热是引起电池在 0.5C 倍率放电过程 中温度波动的主要原因;内阻生热率的变化不大, 只有在放电末期出现陡增,这是由于在放电末期内阻增大,导致内阻生热率的迅速增大。在放电 DOD 30%~50%和 80%~90%期间,可以看到熵热生热率有 一个明显的下降趋势,其中,在 DOD 45%附近熵热 生热率出现负值,这是由于可逆化学反应在放电过 程中由于电解液发生相变引起的吸热导致。

图 8 为计算的熵热系数变化曲线,正值代表吸 热过程,负值代表放热过程。可以看出电池熵热系 数(dU/dT)随 DOD 的 瞬 时 变 化 趋 势,其 变 化 范 围 为-0.3~0.01 mV/K;整个放电过程一共出现 2 个波 谷,熵热系数在 DOD 15%和 75%附近出现极小值, 在 DOD 45%附近出现极大值,且为正值。可以看出 在 DOD 45%附近熵热表现为吸热, 在其余过程中 表现为放热;在放电末期随着 DOD 的增大迅速降 低,熵热放热量增大。

3.2.2 不同放电倍率下的生热分析

由式(3)计算出不同放电倍率下平均的内阻生 热率,根据计算得到的生热率(如图 6)算出熵热平 均生热率,并得到二者的比例关系。不同放电倍率 下的熵热平均生热率、内阻平均生热率和总生热率如图 9 所示。从图 9 中可以看出,随着放电倍率的 增大, 内阻平均生热率的增加大于熵热平均生热 率,在 0.5C 和 1C 之间熵热平均生热率大于内阻平 均生热率,在 1.5C~3C 之间内阻平均生热率大于熵 热平均生热率;在 0.5C 倍率放电时,熵热平均生热 率约占总生热率的 69%,3C 倍率放电时,熵热平均 生热率大约占总生热率的 36%。因此可以得出,熵 热在锂离子动力电池 0.5C~3C 倍率放电过程中约 占总生热率 36%~69%, 所以忽略熵热或熵热系数 而取定值会使模拟结果与试验有较大偏差。

4 结论

本文通过测量电池放电过程中的温升曲线和 不同环境温度下的电池内阻,计算出锂离子电池不 同放电倍率中的瞬时生热率,求出电池熵热(可逆 反应热)系数变化曲线,分析电池瞬态内阻特性和 熵热特性对电池温度场的影响。结果表明:

(1)锂离子电池在放电过程中生热速率曲线会 出 现 2 次 波 动,2 次 波 动 的 波 谷 分 别 出 现 在 DOD 50%和 90%附近;随着放电倍率的增大,两波谷出现 时间往后延迟。

(2)电池放电过程中生热率波动主要受可逆反 应热波动的影响, 内阻热在放电过程中变化不大;可逆反应在放电中期出现吸热现象,导致小倍率放 电时会出现温度的降低。

(3)电池熵热系数(dU/dT)在放电过程呈现一 定的波动性,在 DOD 50%附近出现正值,可逆反应 短暂的吸热导致了温度的降低;熵热系数(dU/dT)的变化范围约为-0.3~0.01 mV/K。

(4)在小倍率放电过程中,可逆反应热对电池 温度场的影响大于内阻热,忽略可逆反应热或熵热 系数取定值会使得模拟结果与试验有一定偏差。

姜水生,马龙,姜光军,文华,江先念.锂离子电池放电过程瞬态生热特性分析[J].电源学报,2019,17(02):171-177.

来源 |汽车CFD热管理

关键词:

为您推荐

-