基于動力電池溫度監控研究

余穎舜 龍志軍 李華智

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現如今大部分鋰離子電池組普遍使用壽命只有3～4年，壽命短的主要原因有以下幾點：電池技術還不夠完善、電池組使用環境比較復雜、電池衰減期比較短、電池發熱得不到有效的監測，電池散熱效率過低。研究汽車動力電池溫度監控問題主要是解決溫度異常對電池健康所帶來的負面影響。 使用主流的18650型號的鋰電池組作為主要的研究對象，對電池組內模組進行串并聯設計，從上述電池所遇到的問題推導出電池熱管理作用及研究方向。

[關? ? 鍵? ?詞]? 動力電池溫度監控;18650電池組;研究

[中圖分類號]? TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）02-0036-02

隨著國際對環保的日益重視，各國也開始頒布日益嚴苛的環保法規來制約車企所生產的汽車，從而減少汽車排放量。中國擁車數量過于龐大，所以急需頒布嚴苛排放法令，其目的就是讓現階段所生產的車輛更加環保，隨著對汽車環保法規越來越嚴格，各國都在加緊研制新能源汽車，但是現階段的新能源電動汽車面臨很多問題，其一，是動力電池能量比不高，動力電池的續航里程普遍偏低，相比較于傳統的燃油車動輒500到600百公里的續航，電動車續航優勢反而不怎么明顯。其二，動力電池安全性能偏低，盡管動力的電池在汽車布局處于底盤中間，但是在發生交通事故時電池是很容易受到外界擠壓的，動力電池在使用過程中也會出現內部溫度不平均問題，可能會導致動力電池起火甚至爆炸。目前主流的新能源汽車是采用電池模塊，電池是電動車的動力源泉，三元聚合物鋰電池組是目前汽車的動力電池所使用的主要類型。三元聚合物鋰電池由于它獨特的化學性質，所以它的形狀可以多種多樣，目前市面上的三元鋰電池形狀普遍就三種類型。圓柱形是三元鋰電池應用最廣泛的形狀，因為圓柱電池生產工藝成熟產品自動化程度高，所以在行業已經是一種標準化產品，具有很高的一致性。

18650電池組主要是由圓柱形鋰離子電池所組成，它具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因為這些優點是現在其他種類電池無法比擬的，所以大部分新能源車企把18650電池組作為新能源汽車的動力電池，盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池除開比同類型的動力電池相比能量密度高，其重量在相同的電池容量下比同類型的動力電池輕1.5～2倍。18650電池主要由正極、有機薄膜、負極、有機物電解液、絕緣層、電池保護殼等組成，其結構圖如下。

正極——活性材料主要是Li+化合物，由于Li+的化學特性不活潑，所以經常用作三元電池的正極。

負極——有效材料主要是石墨烯復合物、Li2TiO3和近似石墨結構的碳材料等。

有機薄膜——主要由高分子塑料隔膜、無紡布、納米纖維膜可以讓Li+通過，但卻是電子的絕緣體。

有機物電解液——一般為有機物體系，如EC、CH3O-COOCH3等材料。

電池保護殼——主要分為兩種類型硬殼和軟殼，硬殼主要是由鋼殼、鋁殼等，軟殼主要是鋁塑膜。

一、鋰電池的工作原理

不同種類Li+電池的工作原理差異性不大，其原理是充電時則是Li+從正極出發通過電解液和隔膜向負極進行移動的過程。放電時則是相反，Li+從負極出發向正極移動的過程。鋰離子電池的工作原理也就是指鋰離子電池的充放電原理。

LiFePO4電池充放電原理的電化學反應方程式如下：

正極反應：LiFePO4？圳Li1-xFePO4+xLi++xe-

負極反應：xLi++xe-+6C？圳LixC6

總反應式：LiFePO4+6xC？圳Li1-xFePO4+LixC6

LiFePO4電池在充放電工作的過程中，不會發生物理變化，同時電解液質量也不會造成消耗，鋰離子只是單純在正負極做往返運動。

二、鋰離子產熱原理

新能源汽車在不斷地發展，電池整體性能也在不斷進步，擁有高能量密度和高輸出功率等優點使鋰離子電池成為新能源車的動力電池，Li+在發生化學反應的過程中會產生熱量，而產生熱量的主要原因是電化學反應中的焦耳熱Qj、反應熱Qr、極化熱Qp以及有機薄膜分解熱組成，有機薄膜分解將釋放大量的熱，這些熱量的產生條件是溫度高于80℃。這些熱量無法在短時間內消失，從而會使電池組內部溫度急劇升高，極其容易爆炸和燃燒。因此對鋰離子的電池產熱原理的研究具有很廣闊的應用價值。

三、溫度影響鋰離子電池的特性

影響鋰離子電池使用壽命的克星之一就是溫度，如果鋰離子電池工作溫度范圍能保持在20℃～40℃之間的話，那么鋰離子電池具有最高效率和可容得老化特性。鋰離子電池是最容易受到溫度的影響，無論電池溫度是升高或者降低，當溫度過高時，鋰離子電池化學反應速率會變快，電解活性也會隨之增強，與此同時溫度過高也會使鋰離子電池的內阻減小，加之鋰離子電池的一系列副反應加劇，鋰電池進行高負荷工作直接導致電池老化速度加快，從而使鋰離子電池的使用壽命進一步衰減，倘若溫度得不到有效的控制任由其持續升高，電解液就會高溫分解，其結果就是會引起起火甚至是爆炸。為了安全應對這樣的事故，必須設計高效的冷卻，這樣才能在各種環境和工作條件下保證單體在最大允許的溫度范圍內工作。當鋰離子電池溫度相對較低時，鋰離子電池電解活性也會隨之減弱，從而導致鋰離子化學反應速率減慢，同時鋰離子電池內阻也會隨之變大，導致內阻做功造成的焦耳熱增加，將會嚴重影響鋰離子電池的循環壽命，有效放電容量的實際容量會出現不斷衰減的現象，并且電池容量發生的改變是不可逆的，高溫情況下，鋰離子的循環次數明顯小于適宜溫度下循環次數。當鋰離子電池電壓由4.2V放電至3.0V時，在環境溫度為25℃的情況下，可以循環1500余次，而在環境溫度0℃的情況下，僅能夠循環200余次，在環境溫度為45℃情況下，可以循環1050余次，在環境溫度為55℃情況下，循環不足1000次，環境溫度對鋰電池的放電容量也有著直接的影響。綜上所述，對動力電池組行之有效的溫度監測系統就顯得尤為重要。

四、鋰離子電池溫度監測控制系統的功能

移動應用的鋰離子電池需要一個功能強大的電池溫度監控系統，用于確保所需的10年以上的使用壽命，以及各種工作和環境條件下的全功能接入和可用性。電池溫度監控系統是汽車動力電池的“御用醫生”，它監測電池是否處于一個正常的工作溫度，是否因為溫度過高或者過低影響電池的正常使用，如果出現異常應該如何反饋給駕駛員。以下是鋰離子電池溫度監控系統的功能性概況。

（一）對電池工作溫度狀態的監測與控制功能

電池溫度監控系統的核心傳感器就是紅外溫度傳感器，它將負責采集電池表面溫度信息。實時采集每個柱狀電池的溫度數據，電池組整體溫度變化可能會對單一柱狀電池溫度產生影響，所以一般用電池組的溫度作為控制的指令信號，通過將事先設定的溫度值與測得溫度值的比較，來決定是否對電池溫度進行冷卻。

（二）對溫度監測的功能

電動車在使用過程中，電池溫度傳感就會實時采集電池溫度，然后向溫度管理系統反饋信息。溫度采集的方式是對每個柱狀電池進行溫度監測來獲得電池溫度是否存在異常，電池溫度監測系統還可以通過電池溫度的變化量來判定電池工作狀態。而且實時給駕駛員反饋電池溫度信息，避免車輛在行駛過程中由于汽車溫度過高所引發的事故。

（三）溫度監控與預警控制功能

電池溫度傳感器能對動力電池進行實時監控，它不單在汽車行駛過程中進行監控，還可以在車輛進行停泊充電的時候監控電池，并且對電池有可能會出現的情況及時進行數據處理并反饋給駕駛員。并且監測到電池組如果出現局部溫度過高的話，先提示駕駛員，說明車輛電池局部溫度異常，停止相關問題電池工作，并且將要降低電池的能耗。此外，電池組若經常性出現局部溫度異常還將提醒用戶要更換局部電池，以免影響整體電池組的可靠性和穩定性，使后期維護成本降低。

（四）動力電池溫度采集方式

動力電池組采用紅外溫度傳感器進行監測，每一柱狀電池都有紅外溫度傳感器的照射，并實時監測電池的溫度。選用紅外溫度傳感器的目的是因為紅外傳感器的體積小，能同時對每一個柱狀電池進行單一的監測，紅外溫度傳感由于自身比較容易受環境的影響，所以測量精度相對較低。但是電池正常工作溫度范圍較大，所以輕微的測量誤差對電池實際使用產生不了明顯的影響。

（五）提高動力電池的整體使用壽命

新能源汽車的動力電池組普遍是由規格統一的圓柱形電池組合而成，其組合方式是通過串聯或者并聯的形式相結合。由于鋰離子電池在工作的過程中會產生熱量，而鋰離子電池本身也是具有熱傳遞特性，所以鋰電池的內部材料大都選擇非透明的材料，從而鋰電池內部不會出現輻射傳熱的現象。因為鋰離子電池化學特性容易出現對流傳熱和熱傳導。所以為了提高動力電池的使用壽命，我們將通過紅外溫度傳感器來監測電池溫度，溫度傳感器會監測的數據之間反饋EMS，EMS對問題電池進行標記，并停止其工作，從而保障電池工作的高效性。

五、總結及展望

電池所面對的“頭號敵人”就是溫度問題。所以電池熱管理系統就相當于“統帥”，對電池壽命、可用性和安全性方面至關重要。實踐中有各種各樣的冷卻和加熱解決方法，還經常彼此間結合使用。主流的電池溫度處理系統有以下幾個能力：其一，設計師對電動車的底盤和電池形狀設計作出專車優化設計，使其電池散熱能力進一步加強。其二，目前液體冷卻是行業公認散熱效率最高的，因為液體的比熱容相對比較高;氣流冷卻方面，電動車在行駛過程中通過給汽車底盤安裝進氣道來給底盤強制通風進行冷卻。其三，電池的制造工藝和制造水平應該嚴格把控，避免問題電池流出。

動力電池熱管理作為軍隊“統帥”，它的職責是指揮戰爭，但是決定戰爭是否能取勝，還關系“軍師”電池化學的發展水平。內阻的降低和允許的單體最高溫度的提高將降低對冷卻的需求。同時追求提高功率和能量密度可以保持甚至提高冷卻的花費。低溫內阻降低以及負溫度電池化學不敏感度的提升將降低加熱功能的必要性。對電池高效和長壽的需求，以及電池安全和任何時刻都保持在最佳溫度的需求，與上述相反，要求未來更有效和功能更強大的加熱功能。

電動化驅動的第一代汽車的研發重點還停留在動力電池本身層面上，未來幾年整個熱管理的優化以及各個部件相互協調會成為焦點。新開發的技術如熱泵的使用提供了新的機會并且幫助提高效率和電行程里程。與汽車類似，市場需求和特定使用環境不同，也將產生出各自迥異的電池冷卻和加熱方法。重要的是在整個系統中找到一個在成本、安裝空間、重量、安全性和效率之間的平衡點。

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編輯 張 慧

本文系項目“佛山市新能源汽車技術應用科研基礎平臺”（項目編號：2017AG100151）的研究成果。