高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池熱特性

王延寧 ,嚴其艷 ,席海亮

(1.廣東科技學院機電工程學院，廣東東莞5 230832；蘭州工業學院汽車工程學院，甘肅蘭州 730050)

鋰離子電池是目前我國應用最廣泛的化學電源，鋰離子電池具有使用壽命長，對環境污染較小等優點[1]。隨著鋰電池技術發展，不同正極材料的鋰離子電池(鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、高鎳)被研發出來，且已廣泛應用。

鈦酸鋰電池是一種新型的鋰離子電池，其負極是鈦酸鋰。與傳統鋰離子電池相比，鈦酸鋰電池循環壽命更長，充電倍率更高。越來越多的專家學者們致力于將鈦酸鋰電池應用于電動汽車和電力儲能行業的研究[2-3]。

鈦酸鋰電池雖然具備高倍率充放電特點，但在高溫下，高倍率充放電也會產生大量熱[4]。如果熱量在密閉或狹小空間中無法釋放時，仍然會產生熱失控甚至爆炸等危險。

鈦酸鋰電池過量發熱會導致電池變形，也會使壽命降低。因此需要研究高溫條件下，脈沖充電放電工況下鈦酸鋰電池熱行為。根據實時監測數據，對其生熱機理、產熱功率進行定性定量研究。

文獻[5]借助COMSOL Multiphysics 數值模擬軟件，研究不同工況下鋰離子電池的溫度分布并進行熱行為分析，并得出鋰離子電池溫度分布主要受加熱溫度和對流傳熱系數的影響，并且電池溫度達到126.85 ℃以上時,會引發內部的副反應發生，造成熱失控，損壞電池。文獻[6]對脈沖放電過程中鋰離子電池的熱行為進行分析，采用加速量熱儀與電池充放電循環儀，實時測量溫度曲線和電壓曲線。在脈沖過程及之后靜置時間內，電壓呈現先急劇下降再增加的變化。電池溫度因脈沖的存在高于正常放電過程的溫度，溫升速率曲線在脈沖瞬間也急劇增大，但隨著電池內部溫度的增加，脈沖電流對溫度、溫升速率的影響減弱。因傳熱滯后，在脈沖瞬間電池溫度并沒有表現出明顯的快速上升現象。

在此基礎上，對高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池熱特性進行實驗研究，為鈦酸鋰電池的安全使用提供參考。

1 實驗

為研究不同脈沖電流下鈦酸鋰電池熱特性，本文將實驗分兩部分，第一階段在恒溫箱中進行60 ℃恒溫條件下充放電實驗，測試電池在不同條件下工作時的溫度、容量、電壓變化情況；在分析了單體電池在充放電過程中的表面溫度分布情況之后，研究不同充放電倍率、不同環境溫度、不同荷電狀態對電池熱特性產生的影響，探討電池熱特性變化規律；第二階段，在密閉絕熱環境下進行充放電實驗，研究電池在該條件下的熱特性與安全性[7-8]。

1.1 實驗儀器與實驗對象

瑞士Systag 公司Calo2310 型號加速量熱儀；智能型ZLD電池充放電循環測試儀；1 Ah 軟包鈦酸鋰電池，工作電壓范圍為1.5～2.8 V；鋁合金水冷板2 個，功率分別為5 和25 W。上海麥捷公司的GDWS-50 型號恒溫箱。

1.2 實驗方法

實驗在恒溫箱中進行。用尼龍繩將電池與熱防護筒組成的試件懸掛在恒溫箱中，熱防護筒和電池上粘貼加熱片和測溫電偶來加熱和控制溫度。測溫熱電偶線與溫度跟蹤熱電偶線引到熱防護筒外。電池和防護筒上所有的加熱器引線、熱電偶引線、溫度跟蹤熱電偶引線、電池充放電電纜及電壓測量線等都經由恒溫箱密封插頭引至箱外[9-10]。在熱防護筒及電池單體的對應位置粘貼測溫熱電偶，保證實驗前防護筒與電池單體溫度相同，為電池單體提供一個絕熱的環境。在電池表面上均勻布置10 個熱電偶，分別在電極兩端各一個、電池兩側各一個、底部一個以及正表面均勻布置五個，共10 個溫度測試點[11-12]。試件與實驗設備的示意圖如圖1 所示。

圖1 試件與實驗設備的示意圖

設置每次的放電時間為1 h，分別記錄0.3C、0.6C、1.0C充放電鋰電池的各個數據。

采用恒流充電，充電結束后擱置1 h，當電池溫度降低，與環境溫度相同時對電池以特定脈寬的脈沖電流，放電到1.6 V 時停止放電，結束后再擱置1 h。1 Ah 的鈦酸鋰電池高溫脈沖工況設計見表1。

表1 實驗工況表

1.3 實驗結果

1.3.1 單體電池絕熱條件熱特性實驗

電池單體進行1C倍率充放電時，電池表面溫度不同測點隨充放電時間的變化曲線如圖2 所示。

從圖2 中可以看出，充電時，電池溫度隨著放電時間先上升后下降，主要是因為電池充電時先恒流充電后恒壓充電，在3 500 s 的時候電池轉為恒壓充電，電流減小，所以發熱量下降；剛開始充放電時，電池表面各測溫點的溫差幾乎為零，隨著充放電時間的增加，電池表面溫差越來越大；在1C充放電條件下，不同測點間最大溫差為2 ℃，所以單體電池表面在工作過程中的溫差都很??；不管是充電還是放電，中心點(209)溫度最高，最接近電池內部溫度，接下來給出的實驗數據是中心點(209)溫度，代表電池溫度。

圖2 1 C倍率充放電時電池表面溫度(不同測點)變化

為了測試絕熱時鈦酸鋰電池的溫度變化，使用聚苯乙烯泡沫塑料作為隔熱體實現絕熱檢測。觀察在不同放電倍率情況下放電末期電池中心點(209)溫度，分別達到77、78 和79 ℃，溫升分別為9、10 和11 ℃(如圖3 所示)。從圖3 實驗結果可以看出，電池充放電倍率越大，最高溫度值越大且電池的溫度場的均勻性越差，造成這種現象的主要原因是放電電流的增大使電池產生的熱量增多，同時電池放電時間縮短，造成了電池內部熱量不能及時擴散出去。若不采取散熱等措施，會造成熱累積，當熱量累積到一定量將導致熱失控及安全事故的發生[13-14]。

圖3 絕熱條件下不同倍率放電時電池表面溫度變化

1.3.2 單體電池散熱方式實驗

對流換熱條件是影響電池傳熱的重要因素，將電池先后置于自然對流和強制對流環境中進行測試。在上述實驗環境下，參照自然環境空氣流動速度，選擇工作效率為5 W/(m2·K)的鋁合金水冷板，放入恒溫箱內模擬自然對流條件；強制空氣對流冷卻條件選擇25 W/(m2·K)的鋁合金水冷板放入恒溫箱內模擬強制空氣對流條件。將二者數據進行對比，兩種冷卻條件下的電池表面溫度數據見表2。

從表2 可以看出，強制對流比自然對流在降溫速度上更快，可在相同時間內把電池表面溫度降至更低些。放電倍率為0.3C、0.6C與1C情況下，自然冷卻下，放電末期電池表面溫度分別達到72.8、75.1 和77.5 ℃，溫升分別為4.7、7.1 和9.0 ℃；強制空氣對流冷卻下，放電末期電池表面溫度分別達到70.5、71.5 和73.2 ℃，溫升分別為2.4、3.4 和5.1 ℃。

表2 電池表面溫度波動效果 ℃

鈦酸鋰電池充電過程有可能出現脹氣，脹氣會導致電池由內向外散熱條件變差，這會對電池性能與壽命產生不利影響。所以，使用鈦酸鋰電池時，往往采用冷板散熱。冷板夾置在單體電池之間，一方面利用冷板上的金屬導熱條將電池熱量傳送至底板，另一方面冷板可以對電池殼體或包裝約束壓緊，一定程度上減小氣脹變形。傳導至底板的熱量將會被對流的空氣帶走[15]。

圖4 為冷板散熱不同放電倍率放電時電池溫度變化曲線。

圖4 冷板散熱條件下不同倍率放電時電池溫度變化

從圖4 可以看出，在冷板散熱條件下，放電倍率為0.3C、0.6C與1C時，放電末期，電池表面溫度分別達到72.5、72.8和73 ℃，溫升分別為2.5、2.8 與3 ℃。通過實驗結果可以看出冷板散熱方式對鈦酸鋰電池的冷卻效果與強制對流冷卻方式對鈦酸鋰電池的冷卻效果基本相同。

2 結論

本文通過實驗研究了高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池熱行為。實驗結果表明：

(1)電池表面溫度隨著充放電電流的增大而增大，但電池表面不同測點之間的溫差變化較小；

(2)電池單體在進行1C倍率充放電時，充電400 s 的溫度達到峰值，放電3 000 s 的溫度上升速率加快；

(3)在相同放電條件下，放電倍率越大，溫度上升越快，且溫度峰值越高；

(4)放電時，相同放電倍率下，自然對流環境下電池溫度比強制對流環境下電池溫度至少高0.2 ℃，最高可達4.3 ℃，且溫差隨放電時間的增長而加大；

(5)在冷板散熱條件下，相同放電倍率的電池溫度峰值均有不同程度的下降。