鋰離子動力電池充放電熱響應實驗研究

張亞徽

摘要：為深入了解動力電池充放電過程熱特性，搭建了主要包括電池、充放電裝置、熱電偶、數據采集裝置、計算機等的單體動力電池充放電實驗系統。分析了20Ah單體LiPO4電池，以0.25C、0.5C、0.75C和1C恒流充放電過程的電池表面溫度變化。提出了充放電過程溫度升高與電流的近似關系。

Abstract： To understand the heat production of the charge/discharge process of the power battery， the power battery charge/ discharge experimental system， including battery， charging and discharging device， thermocouple， data acquisition device and computer， was set up. The surface temperature change of 20Ah single LiPO4 battery under constant current charging and discharging process with 0.25C， 0.5C， 0.75C and 1C was analyzed. The approximate relation between temperature rise and current was proposed during charging and discharging.

關鍵詞：動力電池；溫度特性；鋰離子電池；充放電

Key words： power battery；heat production；Li-ion battery；charge/discharge process

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）03-0160-03

0 引言

鋰離子電池因其能量密度大、自放電少等優點具有很好的應用前景，然而使用過程中會產生大量的熱量，電池內部溫度會快速升高，以熱失控為特征的事故時有發生[1]，引起的嚴重后果，圖1為某熱失控事故，因此研究電池熱安全性非常必要。

針對電池的安全性，國內外學者進行了一系列研究。何向明等[1]統計了一系列動力電池事故演變過程，提出電池事故核心的問題是熱失控。閻冬等[2]提出非常高的動力電池開發技術，包括電解液不能蒸發、泄漏，用堅固材料包裝電池。許丹[3]在分析國內外典型電池火災事故的基礎上提出一些可能的控制方法，包括改善電池材料熱穩定性，使用安全電解液，設計新型滅火系統等。何洪文等[4]實驗研究了鋰離子動力電池的工作電壓、溫度升高特性曲線。王震坡[5]等通過實驗分析了鋰離子動力電池的工作特性以及充放電率、環境溫度等因素對電池性能的影響。吳凱等[6]分析了電池安全測試的影響因素。王青松等[7]分析了電池的產熱過程，包括SEI膜、電解液、正極的分解，負極與電解液、負極與粘合劑的反應等。饒中浩[8]通過實驗和數值計算方法研究了相變材料儲熱對電池溫度的控制。任保福[9]通過實驗數據分析討論了充放電倍率、環境溫度、荷電狀態會對電池的熱特性產生影響。充放電倍率越大、環境越低、荷電狀態越等對電池的溫升的影響。同時分析了鋰離子動力電池的歐姆內阻、極化內阻的在充放電過程的比例。

1 實驗裝置

動力電池充放電熱響應實驗系統如圖所示，主要包括電池、充放電裝置、熱電偶、數據采集裝置、計算機等。其中電池采用方形磷酸鐵鋰（LiFePO4）動力電池（130mm×70mm×22mm），單體電池標稱容量為20Ah。充放電采用BTS-M型自動測試設備，實現恒流充放電。采用Agilent 34970A數據采集儀對電池表面溫度進行采集，其中熱電偶為K型。熱電偶布置方式如圖2所示，在電池的正、負極、電池正面和側面中心。計算機控制啟動和同步記錄數據。

單體動力電池模擬實驗，分別以0.25C、0.5C、0.75C和1C電流恒流充放電，測試自然環境散熱條件下，充放電過程電池表面溫度的變化規律。充電至3.6V，放電至2.0V結束實驗。

2 結果及分析

以1C恒流充電時，不同測點溫度、電池內阻隨時間的變化分別如圖4、圖5所示?？梢钥闯?，電池表面不同位置溫度上升規律相似，充電過程前2500s溫度上升比較緩和，2500s以后，電池表面各點溫度急劇升高，分析認為充電末期電池極化明顯，極化內阻增加，電池的發熱率急劇增加。

比較不同位置的溫度，電池溫度并不均勻，P1、P2分別為正、負極，溫度最高；P3為正面靠近正負極部分、P4為正面靠近底部的部分；P5、P6為兩個側面中部，溫度比較接近；充電結束時，最大溫差可達10℃。

圖5給出1C恒流充電過程電池總內阻隨時間的變化規律，可以看出，充電過程電池總內阻變化不大，只有在充電末期電池極化急劇增加，極化內阻增加導致總電阻增加。

3 結論

通過對20Ah單體電池進行充放電過程，電池表面不同位置溫度進行測量，獲得一系列規律。單體動力電池恒流充電過程，在充電末期電池溫度急劇增加；單體電池溫度分布不均勻，電池正負極溫度較其它區域溫度高。電池的溫升隨充電電流近似滿足ΔT=9.22+0.007I+0.075I2。放電過程電池溫度升高隨電流變化近似滿足ΔT=-6.05+2.978I-0.07I2。

參考文獻：

[1]何向明，馮旭寧，歐陽明高.車用鋰離子動力電池系統的安全性[J].科技導報，2016，34（6）：32-38.

[2]閻冬，馬宏珺，杜凱，等.豐田車載動力電池安全技術路線[J].科技創新導報，2016，5（3）：32-33.

[3]許丹.中國消防協會科學技術年會論文集[M].2014.

[4]何洪文，孫逢春，張晨光，等.鋰離子動力電池充放電特性的試驗研究[J].北京理工大學學報，2002，22（5）：578-591.

[5]王震坡，孫逢春.鋰離子動力電池特性研究[J].北京理工大學學報，2004，24（12）：1053-1057.

[6]凱吳，耀張，曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學進展，2011，23（2）：401-409.

[7]王青松，孫金華，陳思凝，等.鋰離子電池熱安全性的研究進展[J].電池，2005，35（3）：240-241.

[8]繞中浩.基于固液相變傳熱介質的動力電池熱管理研究[D].華南理工大學，2013.

[9]任保福.大容量鋰離子動力電池充放電過程熱特性研究[D].北京：北京交通大學，2012.endprint