鋰離子蓄電池電芯產熱特性的實驗研究

張迪 王梟飛

摘 要

本文通過實驗方法對鋰離子蓄電池的電芯產熱特性進行了實驗研究，并對電芯產熱速率與充電時間的關系曲線進行了擬合，擬合結果對蓄電池的發熱特性研究具有一定參考價值。

關鍵詞

蓄電池;熱特性;熱模型

中圖分類號： TM912 ? ? ? ? ? ??文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.064

Abstract

In this paper，the heat generation characteristics of lithium-ion battery has been studied by experimental method，and the curve between the heat generation rate and the charging time is fitted.The fitting results have certain reference value for the study of the heat generation characteristics of battery.

Key Words

Battery;Thermal characteristics;Thermal model

在節能減排的社會背景下，電動汽車已成為汽車產業的重要發展趨勢，而制約電動汽車發展的最大瓶頸即為大型鋰離子電池。鋰電池在充放電過程中產生的熱量等相關問題對其使用壽命和安全性能造成較大影響。本文通過實驗方法對鋰離子電池熱參數和電池產熱進行了分析和研究。

1 鋰離子電池的熱模型

2 熱參數的實驗測量

根據Bernardi電池產熱模型，電池工作電壓與其開路電壓之差（U-E），即過電壓的獲得，以及電池熵熱系數（dU/dT）的測量是分析蓄電池熱特性的關鍵。本文實驗所研究的是一款20 Ah的鋰離子電池，其具體參數如表1所示。

2.1 過電壓的測量

首先利用靜置法對其開路電壓與荷電狀態的關系進行分析。靜置法獲取開路電壓值是指當電池在停止充放電后，通過長時間的靜置狀態而得到的較為準確和穩定的開路電壓值。通過靜置法測得開路電壓隨荷電狀態的變化曲線如下圖所示。

在此基礎上，測量不同倍率充電電流下的工作電壓，得到蓄電池的過電壓如圖2所示。

根據圖2，蓄電池在充電過程中的過電壓受荷電狀態和充電倍率的影響較大。在充電的初始階段，電池的過電壓維持在一個較低的水平，其區間為300～400mV，且隨著充電過程的進行，蓄電池的過電壓逐步減小。在充電的初始階段以及將要結束階段，蓄電池的過電壓變化率較大。這主要是因為，在這兩個階段的蓄電池電解液中鋰離子的濃度梯度較大，而其所引起的濃度極化程度進一步加劇。

2.2 熵熱系數的測量

電池產熱模型的可逆熱通過測量不同荷電狀態下的熵熱系數得到，而不同環境溫度下，熵熱系數dU/dT隨荷電狀態SOC的變化曲線如圖3所示。需要注意的是，熵熱系數的測量一般存在一定的誤差，這主要是由電池內部溫度的延遲傳導或活性材料相變的延遲等原因導致的。

根據上圖不難看出，不同環境溫度下熵熱系數變化趨勢基本相同，熵熱系數在荷電狀態為0.4～0.6區間內較高，反應出電池在此階段的電化學反應最為強烈。為了盡量減小測量的誤差，在計算電池產熱過程中，熵熱系數的取值為上述三種環境溫度下的平均值。

3 蓄電池產熱的數值擬合

為更好地分析蓄電池的熱行為，我們對蓄電池產熱模型進行適當、合理的假設，包括：

（1）鑒于蓄電池電芯厚度很薄，考慮其溫度只在XY平面上有分布，而在厚度方向即Z方向沒有變化，這時，我們可以將三維熱模型簡化為二維熱模型。

（2）電芯在XY平面內具有各項同性性質，其產熱率分布均勻。

為計算1 C充電過程中電芯產熱率與時間的關系函數，對環境溫度為25℃的熵熱系數和過電壓隨荷電狀態的關系曲線進行擬合，根據Bernardi電池產熱模型，得到電芯產熱速率隨時間的變化關系。在擬合過程中，不考慮溫度對可逆熱和不可逆熱的影響，采用7階多項式以表現電芯產熱率隨時間的變化趨勢：

從圖4不難看出，電芯實驗的產熱速率與我們通過數值擬合所得到的產熱速率變化趨勢基本相同，擬合的結果能夠在較大程度上描述鋰離子蓄電池電芯產熱情況。

4 總結

本文適當對鋰離子蓄電池的熱模型進行簡化，并通過實驗方法對鋰離子蓄電池開路電壓、過電壓和熵熱系數隨荷電狀態的變化關系進行了分析，對電芯產熱實驗數據進行數值擬合，擬合結果對蓄電池的發熱特性研究具有一定參考價值。

參考文獻

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