电动汽车锂离子电池大倍率放电下热性能分析

  电动汽车锂离子电池大倍率放电下热性能分析  张玥　江艳梅　张辉摘要：针对在电动汽车中使用的锂离子电池，在简述其产热与散热性能的基础上，以18650型锂离子电池为例，采用实验测试的方法验证了锂离子电池在不同放电倍率条件下的电性能与热性能，以此为锂离子电池的设计使用提供参考依据，保证电池的使用效率与安全。Key：电动汽车;锂离子电池;放电倍率;热性能在当前整个能源短缺的时代，电动汽车成为汽车工业未来发展重要趋势，已经得到了很多人的认同与支持。电动汽车以锂离子电池为主要动力来源，而锂离子电池作为动力电池，其热性能和放电倍率有直接关系，同时热性能还决定了电池自身运行效率、安全性与可靠性，因此有必要探究不同放电倍率情况下的电池热性能。1电池产热与散热当电池以较高倍率进行放电时，必然会产生很多热，如果产热的速率超过散热，则电池温度会不断升高;一旦温度过高，除了威胁使用安全，还会缩短电池寿命。因此，掌握电池自身产热与散热速率是十分重要的，必须引起重视。1.1产热电池放电时，锂离子发生脱嵌，电子由负极向正极移动，使极片电荷保持平衡，充电和放电刚好相反。在温度不足70℃的情况下，充放电时的产热包含以下几部分：其一，电化学反应热，表示为Qr;其二，极化产热，表示为Qp;其三，Joule热，表示为QJ。电池充放电时，锂离子于两极发生化学反应，并且电子也会像锂离子那样发生嵌入及脱离，数量也完全一致，在化学反应中产生的所有热量，就是电池自身的化学反应热[1]。电池反应中还存在和理论情况下平衡点位存在一定电位差的极化，其原因为电池反应时分子发生运动与扩散都需要能量，同时锂离子自身化学扩散系数相对较小，它在电极中产生扩散与运动是发生极化产热现象主要原因，对于极化过程，它包含电阻、浓差与电化学三种，可将其产热等效成极化内阻，表示为RP。在电池中，不同组成部分含有Ohm内阻，这一内阻的总和即为RΩ。根据以上分析结果，若将热力学温度表示为，将电化学反应對应的熵变表示为，将Faraday常数表示为，将输出电流表示为，则电池产热可表示为：1.2散热基于自然对流这一实际条件，电池散热包含三个部分：第一部分为内部导热;第二部分为对流换热;第三部分为辐射换热[2]。1.2.1内部导热电池放电时，产热会使电池内外部温差失去平衡，由内向外发生热量传导。这一传导过程符合Fourier定律，可将电池视为自带内热源的导热系数正交异性的二维稳态导热问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ，其热流向符合以下 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 ：1.2.2对流换热电池放电时，其表面温度和环境温度有差异，在这种情况下，将以对流的方式发生换热，换热过程遵循Newton规律，实际换热量可用以下公式表示：式（3）中，h表示换热系数;A表示表面面积;Tw表示表面温度;Tf表示环境温度。由式（3）可以看出，在电池容量保持不变的情况下，增大表面面积与换热系数，能增强电池自身散热能力[3]。1.2.3辐射换热电池和环境之间的热交换除对流换热外还包含辐射换热，其换热量可表示为：式（4）中，ε表示物体发射率，在1以内;δ表示Boltzmann常数，取5.67×10-8W/（m2·K4）;Tw表示表面温度;Tf表示环境温度。电池和环境之间总传热量可表示：2实验部分2.1原理与内容为了解电池在充放电时的电、热性能，采用测试的方法，其原理如图1所示。电池两极和测试仪直接相连，测试仪和计算机相连，同时设定测试工步。将热电偶其中一端粘在电池测温点（该点表示为T），而另外一端和巡检仪连接，巡检仪和计算机连接，用于 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 所有温度数据。本次实验的主要内容为：先按0.5C的倍率进行充放电，其中，充电需到达截止电压与电流，分别为3.6V与2.5A，而放电也需要达到截止电压，即2.5V;然后在初始状态一直的情况下，按1.0C、1.5C与3.0C的倍率进行放电，此时的放电同样需要达到截止电压，即2.5V。本次实验在自然对流条件下进行，环境温湿度分别为28℃-30℃和70%-80%[4]。2.2实验步骤为了探究电池在标准条件下具有的充放电性能，以及在不同放电倍率情况下具有的热、电性能。根据以下工步进行测试：工步1：搁置5s，充电倍率为0.5C;工步2：搁置30min，充电倍率为0.5C;工步3：搁置60min，充电倍率为0.5C;工步4：搁置30min，充电倍率为1.0C;工步5：搁置60min，充电倍率为0.5C;工步6：搁置30min，充电倍率为1.5C;工步7：搁置60min，充电倍率为0.5C;工步8：搁置30min，充电倍率为3.0C;工步9：搁置60min，充电倍率为0.5C。在实验中，需要对以下数据进行实时记录：电池工作电压;电池放出容量;电池充放电电流;测温点实际温度。3结果与分析3.1充放电性能在恒流充电时，待电压升高到截止电压以后进入恒压充电状态，在恒压充电时，充电电流变电减小，直到截止电流，在充电过程结束后，电池电压和电流分别为3.3V、0A。将电池搁置30min，在搁置时电池的电压保持不变。当电池按0.5C倍率进行放电时，其电压瞬间减小到3.1V，伴随放电深度不断增加，电压以抛物线的形式降低到截止电压，整个放电过程持续7225s，共放出50.11Ah的容量。在放电完成以后，电池电压突然升高到2.9V，之后在搁置时，电压又以抛物线的形式恢复，其恢复的速度和电池放电倍率及环境温度有直接关系。3.2大倍率放电条件下的电池电、热性能电池在一致的初始条件下以各种倍率进行放电，一直持续到截止电压时，电池的电、热性能完全不同。在1.0C的放电倍率条件下，电池实际放出50.00Ah的容量，在1.5C的放电倍率条件下，电池实际放出49.09Ah的容量，而在3.0C的放电倍率条件下，电池实际放出42.07Ah的容量，在放电的瞬间，电压压降为80mV、0.100mV和0.300mV。可见，当放电被倍率增大时，电池实际放出的容量减少，放电时瞬间压降增加，导致放电平台降低，使放电不平稳。可见，电池使用时，需减少以较大倍率进行放电，使放电平台保持稳定。目前，在市场上大多对超级电容器和电池进行串联来限制放电倍率，也就是当汽车启动、加速与爬坡过程中借助超级电容器来提供短时电能，避免电池由于大倍率放电产生能量损失与热失控现象[5]。当电池放电倍率为1.0C时，放电经历3241s，在放电结束后，测温点实际温度为31℃;当电池放电倍率为1.5C时，放电经历2663s，在放电结束后，测温点实际温度为33℃;当电池放电倍率为3.0C时，放电经历1017s，在放电结束后，测温点实际温度为47℃。在3.0C的倍率条件下，电池实际放电容量只有80%，表面温度在47℃以上，已经超出安全范围。为了使电池的运行保持安全和稳定，需要对使用过程中的温度与放电倍率进行严格控制。3.3瞬时产热量电池在恒定倍率放电过程中的产热流量可表示为：当放电倍率为1.0C时，I的值为50A，t为0-3.241×103s，a0为5.8，a1为-6×10-3，a2为3.5×10-6;当放电倍率为1.5C时，I的值为75A，t为0-2.663×103s，a0为8.4，a1为-10×10-3，a2为12×10-6;当放电倍率为3.0C时，I的值为150A，t为0-1.017×103s，a0为32，a1为-20×10-3，a2为66×10-6。4结语综上所述，锂离子电池凭借较高的比能量和电压以及与环境之间的友好性而得到广泛应用，经实验与研究发现，当电池的放电倍率增加时，电池可以放出的容量减小，且放电平台降低，使其不稳定，并导致电池温度升高。如果电池以3.0C的倍率进行放电，则能放出的容量将减少到80%，同时表面温度上升至47℃，远超允许范围。对此，为了保证电池使用安全，需借助混合能量系统与辅助散热设备，在保证续航里程基础上，对电池温度予以严格控制，使其高效与安全运行。另外，对辅助散热系统进行配备的过程中，还应控制电池在各类放电倍率情况下的产热速率。基金项目：本文为河北交通职业技术学院院级自然科学项目《电动汽车锂电池的热性能分析》的课题成果，项目编号：ZR-201410。Reference：[1]李争，邢殿輝.基于有限元分析的动力锂离子电池生热特性研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2016，31（01）：42-48.[2]李争，高越，王群京.基于Simscape的动力锂离子电池的建模与仿真[J].电源技术，2017，41（11）：1533-1536.[3]许慧娟，张新.电动汽车用锂离子电池散热方法研究[J].邢台职业技术学院学报，2019，36（03）：86-91.[4]龚明光，朱顺良，谢欢.电动汽车锂离子电池系统轻量化技术现状及发展趋势[J].时代汽车，2019（04）：89-92.[5]宋玉洁，史瑞祥，谢鑫，陶思成.纯电动汽车用锂离子电池的制造工艺与管控点[J].汽车零部件，2019（03）：87-89.[6]陈成，邱鑫发，庄鸿涛.ANSYS对电动汽车锂离子电池温度场仿真确立研究[J].南方农机，2019，50（04）：117. -全文完-