低溫自加熱設(shè)計(jì)提高鋰離子電池組性能的研究

沈川杰 李克峰 史佳超 趙建偉 謝巧

摘要：本文介紹了一種低溫45℃環(huán)境條件下使用的彈上鋰離子電池的自加熱設(shè)計(jì)方案，并通過低溫45℃環(huán)境條件的實(shí)際測試，結(jié)果表明彈上鋰離子電池組采用自加熱設(shè)計(jì)較不采用自加熱設(shè)計(jì)的電性能有顯著提高，從而滿足了技術(shù)指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組；自加熱；電性能

1 概述

鋰離子電池以其比功率高、能量密度大、壽命長、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，[1]在電子通訊[2]、新能源汽車[3]、運(yùn)載火箭以及導(dǎo)彈等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)鋰離子電池處于比較低的環(huán)境溫度中，電池的充放電性能會大大降低，導(dǎo)致電池?zé)o法正常工作。[4]本文以某彈上鋰離子電池組為研究對象，對比分析了該鋰離子電池組在45℃條件下采用自加熱功能和不采用自加熱功能兩種狀態(tài)下的電性能。

2 電池組方案設(shè)計(jì)

主要技術(shù)指標(biāo)為：在45℃穩(wěn)定6h后鋰離子電池組容量≥2Ah，工作電壓20.7～24.7V，工作電流3A。

21 電池堆設(shè)計(jì)

鋰離子電池組設(shè)計(jì)工作電壓要求范圍為20.7V～24.7V，采用6串單元鋰離子電池組合方式可滿足鋰離子電池組工作電壓的要求。單體電池采用低溫性能好的2.5Ah的圓柱形鋰離子單體電池，其工作電壓在3.46V～4.125V之間，該電壓區(qū)間的容量占總?cè)萘考s70%，單體電池以4并連接方式組合而成，設(shè)計(jì)鋰離子電池組常溫容量約為7Ah，電池堆通過跨接片串并聯(lián)而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

22 保溫及加熱電路設(shè)計(jì)

鋰離子電池組外殼與電芯堆之間采用厚度為4mm～20mm的硬質(zhì)聚苯乙烯泡沫進(jìn)行保溫，該材料具有強(qiáng)度較高，保溫性能好，耐腐蝕等特性，是理想的保溫材料。電池堆上下兩面粘貼薄型加熱帶（R1、R2，電阻值相同），溫度繼電器（K2）安裝在電池堆側(cè)面，控制加熱回路的自動開通，當(dāng)溫度在22℃±3℃時(shí)，K2接通，當(dāng)溫度到12℃±3℃時(shí)，K2斷開，鋰離子電池組外殼上設(shè)計(jì)有開關(guān)K1控制整個(gè)回路的輸出，開關(guān)K2控制整個(gè)回路的輸出，加熱供電原理如圖2所示。

23 加熱帶電阻設(shè)計(jì)

當(dāng)鋰離子電池組內(nèi)外溫差為20℃時(shí)，按照以往測試數(shù)據(jù)，其散熱速率約為10℃/h，電池堆比熱容約為1.0kJ/（℃·kg），電池堆和加熱帶重量約1.28kg，根據(jù)公式，

UIdt=Cpmdk（1）

為保證鋰離子電池組內(nèi)部溫度不低于25℃，可計(jì)算獲得最低加熱電流，

I=Cpm/U·dk/dt=1000×1.28/24×10/3600A=0.15A（2）

其中U為電壓（單位V），I為電流（單位A），Cp為比熱容（單位kJ/（℃·kg）），m為重量（單位kg），dk為溫度的微分值（單位℃），dt為時(shí)間的微分值（單位s）。

為了加快加溫過程，本設(shè)計(jì)選取加溫電流為0.3A，此時(shí)，加熱帶電阻R1=R2=24V/0.3×2A=180Ω。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

將鋰離子電池組放入45℃的低溫箱中靜置6h，然后鋰離子電池組在45℃低溫箱中以3A恒流放電40min。本試驗(yàn)測試了兩種狀態(tài)情況的放電情況，包括開關(guān)K2斷開（斷開自加熱回路）和開關(guān)K2閉合（接通自加熱回路），具體詳見圖3。

從圖3可以看到，當(dāng)開關(guān)K2斷開時(shí)，加熱回路完全被斷開，鋰離子電池組放電時(shí)，電壓迅速下降到最低點(diǎn)18.156V，然后緩慢上升至20.178V，整個(gè)過程放電電壓低于技術(shù)要求的下限值20.7V，不滿足任務(wù)指標(biāo)的要求。當(dāng)開關(guān)K2閉合時(shí)，加熱回路接通，在低溫環(huán)境下，溫度繼電器自動接通，使鋰離子電池組利用自身的能量對自己進(jìn)行加熱，鋰離子電池組整個(gè)過程放電電壓在22.93V～21.139V之間。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究的自加熱設(shè)計(jì)可以有效地提高鋰離子電池的低溫性能，從而達(dá)到任務(wù)指標(biāo)的需求。

4 結(jié)論

本文研究了某彈上鋰離子電池組采用自加熱和不采用自加熱兩種情況下的工作情況，結(jié)果表明：低溫45℃環(huán)境條件下，鋰離子電池組采用自加熱設(shè)計(jì)后，其工作電壓可以得到顯著提高，從而解決了彈上鋰離子電池組在低溫環(huán)境條件下的電性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李鳴，毛景立.裝備采購理論與實(shí)踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[2]倪文昊，丁冬.我國鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及前景探討[J].化工技術(shù)，2012（01）.

[3]謝先宇，王潘，安浩，等.汽車用動力鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀[J].新能源汽車，2010（01）.

[4]張承寧，雷治國，董玉剛.電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32（09）.

作者簡介：沈川杰（1986），男，四川成都人，碩士，工程師，運(yùn)載導(dǎo)彈領(lǐng)域電源設(shè)計(jì)方向。