傳統內燃機汽車的排放造成環境污染,引起了溫室效應和全球變暖,近幾年來電動汽車得到了前所未有的發展?動力電池對電動汽車的影響最大?鋰離子電池在工作中會產生發熱現象,而溫度是影響動力電池性能的重要因素,會直接影響電池的性能?動力電池的性能與環境溫度?電池本身的熱力學參數以及熱管理方法等密切相關?同時,電池的容量特性?內阻數值和開路電壓曲線是反映動力電池性能的重要指標,也是參與電池熱管理系統設計的重要參數?因此,分析鋰離子電池在不同環境溫度下的性能,對電池熱管理系統的開發具有促進效果,也對推動高效清潔新能源汽車的發展具有重要的意義?
目前鋰離子動力電池熱特性相關的研究,主要集中在動力電池的發熱?散熱模型的理論研究,以及動力電池性能在不同環境條件下的實驗分析?并沒有將兩者結合,深入研究鋰離子動力電池性能的重要指標與電池發熱機理之間的聯系?本文以3.67V/50Ah三元鋰離子電池為研究對象,根據鋰離子電池的發熱機理,分析影響電池發熱的相關的因素,結合具體實驗,對鋰離子動力電池重要性能指標進行實驗分析?同時,為了更加準確地了解電池的性能,加入對放電效率的分析?將理論分析與實驗相結合,分析電池性能指標在不同環境溫度下的改變規律,從而達到了解電池熱特性和設計熱管理系統的目的?
1鋰離子電池的發熱機理分析
鋰離子電池的發熱問題,主要包括電池自身的發熱以及與環境溫度的熱交換兩個部分?
1.1鋰離子電池的發熱
在實際分析時,一般采用Sato等人提出的實驗分析法?該方法認為,電池自身的發熱主要是指電池內部電化學反應熵變產生的可逆熱Qr?電池的歐姆內阻熱QJ和極化內阻熱QP?除了上述三種熱量來源,在電池充放電時還會產生副反應熱Qs?不過在車輛正常使用時Qs較低,可以忽略?因此我們只需考慮電化學反應熱Qr，歐姆內阻熱Qj和極化內阻熱Qp。
1.2鋰離子電池的熱交換
鋰離子電池內部熱量傳遞的方式,根據傳熱學原理可分為熱傳導?熱輻射和熱對流等三種方式?在車輛正常使用時,只需考慮熱傳導和熱對流?
熱傳導是指鋰離子電池內部產生的熱量,依靠微觀粒子的熱運動向電池壁面傳遞的過程,并且傳熱過程遵循傅里葉定律:
根據鋰離子電池發熱機理分析計算得出,在電池環境處于常溫時,所選三元鋰離子電池能夠及時將自身的產熱量釋放出去?但在電池外界環境變化時,會導致電池性能的改變,電池自身發熱同樣發生變化?由式(4)可知電動勢溫度系數(E/T)與DS的變化相關,同時DS與電池SOC關系密切,根據資料得出:當0.4<SOC<1時,DS>0,電池放電反應吸熱;當SOC<0.4時,DS<0,電池放電反應放熱,并且溫度系數隨SOC減小而線性增大?式(7)中表明電池產熱與電池內阻?電流倍率直接相關?式(8)?式(9)說明電池的對流換熱與環境溫度關系密切?因此,結合以上的影響因素,將在不同環境溫度下對電池進行實驗研究?
2鋰離子電池熱特性研究
實驗采用充放電設備DigatronMCT100-6-8?防爆型高低溫試驗箱?溫度采集及電壓采集裝置等,分別進行不同環境溫度下鋰離子動力電池放電容量?荷電狀態-開路電壓曲線?直流內阻以及放電效率的測試?
2.1環境溫度與放電容量
測試方法如下(0.1C為例):在室溫下將電池用1C電流放電至截止電壓,擱置1h;接著對電池用1C電流充電至4.25V,接著恒壓充電至電流2.8A為止,擱置1h;然后將電池放入高低溫試驗箱,在設定的環境溫度中擱置2h;最后以0.1C電流放電至單體電壓值2.8V,同時記錄此階段電池的放電容量?實驗中放電倍率選取0.1C?0.3C?1C?2C?3C?4C進行?
實驗結果如圖1所示,電池的放電容量隨著放電倍率的升高而降低,隨著環境溫度的升高而升高?同時分析可得,電池的初始放電電壓隨放電倍率的增大而降低?在環境溫度小于25℃時,高放電倍率下的放電容量,比低倍率降低趨勢明顯,環境溫度高于25℃時,曲線的變化相對平穩?
2.2環境溫度與直流內阻
測量電池內阻的方法參考混合脈沖功率性能(HPPC)實驗,測試方法如下?
依照2.1節中的實驗方法,先將電池電量放空,接著充滿電,進行擱置,試驗箱溫度分別設定為-25?0?25?40℃?
以1/3C恒流放電,調整電池的SOC值為0.9,擱置1h?對電池進行脈沖放電10s(按照電池廠家提供的最大允許脈沖放電電流),記錄放電前后電壓和電流值;擱置40s,接著進行脈沖充電10s(按照電池廠家提供的最大允許脈沖充電電流),記錄充電前后的電壓和電流值;接著繼續以1/3C恒流放電,直到放出電量達到10%放電深度(DOD),之后擱置1h?
循環步驟(3),至放出電量總和為80%為止,使得電池SOC值為0.8?0.7?0.6?0.5?0.4?0.3?0.2?0.1;分別在-25?0?25?40℃的環境溫度下進行?
實驗表明,放電內阻和充電內阻均隨溫度的降低而增大,隨SOC的減小而增大,但電池放電內阻大于充電內阻?如圖2所示,環境溫度為25和40℃時,電池在不同SOC下的放電內阻相差不大;環境溫度為0和-25℃時,電池內阻在SOC為0.4~0.9之間較小,并且隨SOC的變化不大,但在SOC低于0.4時,放電內阻隨著溫度的降低,上升的趨勢明顯?如圖3所示,在電池充電過程中,環境溫度為0?25和40℃時,電池在不同SOC下的內阻相差不大,并且電池內阻相對較小;環境溫度為-25℃時,電池內阻都處于一個很高的值,并且在SOC小于0.4時,電池內阻變大的趨勢更明顯?
2.3環境溫度與開路電壓
測試方法如下:依照2.1節中的實驗方法,先將電池電量放空,接著充滿電,進行擱置;將高低溫試驗箱設置到需要的溫度,擱置2h;然后以1/3C恒流放電,將電池放電至設定的SOC,記錄電池的開路電壓?根據上述測試方法,分別測11個SOC點:0?0.1?0.2?0.3?0.4?0.5?0.6?0.7?0.8?0.9和1;4個環境溫度:-25?0?25?40℃?另外由2.2節結果得,在SOC小于0.4時,環境溫度在0和-25℃時電池的內阻非常大,為了使電池在保證安全的情況下完成實驗,需要將放電電流降至0.1C?
如圖4所示,環境溫度相同時,當SOC<0.2時,電池的開路電壓下降較快;當SOC>0.2時,電池的開路電壓隨SOC值的變化相對比較平穩?不同環境溫度下得到的曲線不同,充放電過程中環境溫度越低,開路電壓值越低?
在環境溫度為0?25?40℃時,電池的開路電壓相對差異較小,但是-25℃曲線明顯偏低,在SOC值偏低時,電池開路電壓很小?結合第1節內容得,鋰離子電池在深度放電時,電池的電化學反應所消耗的內能增大明顯,會給電池帶來損耗?
2.4環境溫度與放電效率
放電效率是指電池在規定的放電制度下所放出的實際容量與額定容量之比?電池放電的實際容量要求達到標稱容量的80%?依照這一標準,同時考慮電池的使用壽命,找出電池最佳的工作溫度范圍?實驗步驟與2.1節中相同,將電池以1C放電,在不同溫度下分別進行測試?
從圖5中可以看出來,在環境溫度高于40℃或者低于0℃時,電池單體的放電效率下降很明顯?這是因為,在低溫放電時電池內阻增大明顯,從而導致電池電壓提前達到放電截止電壓,使得放電容量降低;在高溫放電時電池內部材料發生不可逆的衰減,同時電解液濃度過低,使得放電容量降低?另外,從實驗數據中看出,在溫度小于-15.5℃或者大于53℃時,電池的放電效率小于80%,因此鋰離子動力電池不適宜在環境溫度小于-15.5℃或者大于53℃時無輔助熱管理運行?
3結論
本文結合電池的發熱機理分析,分析不同環境溫度下三元鋰離子動力電池的重要性能,得出以下結論?
(1) 電池的放電容量在低溫時迅速衰減,隨著溫度的升高快速增長,但在常溫下比較穩定,高溫時放電容量增加放緩?
(2) 環境溫度在室溫和高溫時,在不同SOC時充?放電內阻數值較小,并且變化不大;在低溫時,充?放電內阻隨SOC的減小而顯著增大,由電池的發熱機理可得,當電池內阻增大,導致在放電過程中歐姆內阻熱和極化內阻熱值增大,電池會產生大量的熱,對電池的性能?安全以及壽命產生影響,同時還會為電池包成組應用帶來熱管理難題?因此,由實驗數據得出三元鋰離子電池的工作環境溫度應保持高于0℃?(3)電池的開路電壓隨溫度的降低而降低,并且由溫差引起的開路電壓的變化隨SOC值的減小而增大?同時,考慮到熵熱與SOC值的相互關系,三元鋰離子電池在低溫下不宜深度放電?
(4)通過環境溫度與放電效率曲線,同時結合已得出的結論，可知在車用鋰離子電池的熱管理設計中，應該將電池溫度控制在0-53℃。
這些結論明確了所用三元鋰離子電池的溫度特性，對于電池熱管理系統的設計具有重要的意義。
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