張玥　江艷梅　張輝

摘 要：針對(duì)在電動(dòng)汽車(chē)中使用的鋰離子電池，在簡(jiǎn)述其產(chǎn)熱與散熱性能的基礎(chǔ)上，以18650型鋰離子電池為例，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法驗(yàn)證了鋰離子電池在不同放電倍率條件下的電性能與熱性能，以此為鋰離子電池的設(shè)計(jì)使用提供參考依據(jù)，保證電池的使用效率與安全。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);鋰離子電池;放電倍率;熱性能

在當(dāng)前整個(gè)能源短缺的時(shí)代，電動(dòng)汽車(chē)成為汽車(chē)工業(yè)未來(lái)發(fā)展重要趨勢(shì)，已經(jīng)得到了很多人的認(rèn)同與支持。電動(dòng)汽車(chē)以鋰離子電池為主要?jiǎng)恿?lái)源，而鋰離子電池作為動(dòng)力電池，其熱性能和放電倍率有直接關(guān)系，同時(shí)熱性能還決定了電池自身運(yùn)行效率、安全性與可靠性，因此有必要探究不同放電倍率情況下的電池?zé)嵝阅堋?/p>

1 電池產(chǎn)熱與散熱

當(dāng)電池以較高倍率進(jìn)行放電時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生很多熱，如果產(chǎn)熱的速率超過(guò)散熱，則電池溫度會(huì)不斷升高;一旦溫度過(guò)高，除了威脅使用安全，還會(huì)縮短電池壽命。因此，掌握電池自身產(chǎn)熱與散熱速率是十分重要的，必須引起重視。

1.1 產(chǎn)熱

電池放電時(shí)，鋰離子發(fā)生脫嵌，電子由負(fù)極向正極移動(dòng)，使極片電荷保持平衡，充電和放電剛好相反。在溫度不足70℃的情況下，充放電時(shí)的產(chǎn)熱包含以下幾部分：其一，電化學(xué)反應(yīng)熱，表示為Qr;其二，極化產(chǎn)熱，表示為Qp;其三，Joule熱，表示為QJ。電池充放電時(shí)，鋰離子于兩極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并且電子也會(huì)像鋰離子那樣發(fā)生嵌入及脫離，數(shù)量也完全一致，在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的所有熱量，就是電池自身的化學(xué)反應(yīng)熱[1]。

電池反應(yīng)中還存在和理論情況下平衡點(diǎn)位存在一定電位差的極化，其原因?yàn)殡姵胤磻?yīng)時(shí)分子發(fā)生運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散都需要能量，同時(shí)鋰離子自身化學(xué)擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較小，它在電極中產(chǎn)生擴(kuò)散與運(yùn)動(dòng)是發(fā)生極化產(chǎn)熱現(xiàn)象主要原因，對(duì)于極化過(guò)程，它包含電阻、濃差與電化學(xué)三種，可將其產(chǎn)熱等效成極化內(nèi)阻，表示為RP。在電池中，不同組成部分含有Ohm內(nèi)阻，這一內(nèi)阻的總和即為RΩ。

根據(jù)以上分析結(jié)果，若將熱力學(xué)溫度表示為，將電化學(xué)反應(yīng)對(duì)應(yīng)的熵變表示為，將Faraday常數(shù)表示為，將輸出電流表示為，則電池產(chǎn)熱可表示為：

1.2 散熱

基于自然對(duì)流這一實(shí)際條件，電池散熱包含三個(gè)部分：第一部分為內(nèi)部導(dǎo)熱;第二部分為對(duì)流換熱;第三部分為輻射換熱[2]。

1.2.1 內(nèi)部導(dǎo)熱

電池放電時(shí)，產(chǎn)熱會(huì)使電池內(nèi)外部溫差失去平衡，由內(nèi)向外發(fā)生熱量傳導(dǎo)。這一傳導(dǎo)過(guò)程符合Fourier定律，可將電池視為自帶內(nèi)熱源的導(dǎo)熱系數(shù)正交異性的二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題，其熱流向符合以下公式：

1.2.2 對(duì)流換熱

電池放電時(shí)，其表面溫度和環(huán)境溫度有差異，在這種情況下，將以對(duì)流的方式發(fā)生換熱，換熱過(guò)程遵循Newton規(guī)律，實(shí)際換熱量可用以下公式表示：

式（3）中，h表示換熱系數(shù);A表示表面面積;Tw表示表面溫度;Tf表示環(huán)境溫度。由式（3）可以看出，在電池容量保持不變的情況下，增大表面面積與換熱系數(shù)，能增強(qiáng)電池自身散熱能力[3]。

1.2.3 輻射換熱

電池和環(huán)境之間的熱交換除對(duì)流換熱外還包含輻射換熱，其換熱量可表示為：

式（4）中，ε表示物體發(fā)射率，在1以?xún)?nèi);δ表示Boltzmann常數(shù)，取5.67×10-8W/（m2·K4）;Tw表示表面溫度;Tf表示環(huán)境溫度。

電池和環(huán)境之間總傳熱量可表示：

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原理與內(nèi)容

為了解電池在充放電時(shí)的電、熱性能，采用測(cè)試的方法，其原理如圖1所示。電池兩極和測(cè)試儀直接相連，測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)相連，同時(shí)設(shè)定測(cè)試工步。將熱電偶其中一端粘在電池測(cè)溫點(diǎn)（該點(diǎn)表示為T(mén)），而另外一端和巡檢儀連接，巡檢儀和計(jì)算機(jī)連接，用于記錄所有溫度數(shù)據(jù)。本次實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容為：先按0.5C的倍率進(jìn)行充放電，其中，充電需到達(dá)截止電壓與電流，分別為3.6V與2.5A，而放電也需要達(dá)到截止電壓，即2.5V;然后在初始狀態(tài)一直的情況下，按1.0C、1.5C與3.0C的倍率進(jìn)行放電，此時(shí)的放電同樣需要達(dá)到截止電壓，即2.5V。本次實(shí)驗(yàn)在自然對(duì)流條件下進(jìn)行，環(huán)境溫濕度分別為28℃-30℃和70%-80%[4]。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

為了探究電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下具有的充放電性能，以及在不同放電倍率情況下具有的熱、電性能。根據(jù)以下工步進(jìn)行測(cè)試：工步1：擱置5s，充電倍率為0.5C;工步2：擱置30min，充電倍率為0.5C;工步3：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步4：擱置30min，充電倍率為1.0C;工步5：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步6：擱置30min，充電倍率為1.5C;工步7：擱置60min，充電倍率為0.5C;工步8：擱置30min，充電倍率為3.0C;工步9：擱置60min，充電倍率為0.5C。在實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)以下數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄：電池工作電壓;電池放出容量;電池充放電電流;測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度。

3 結(jié)果與分析

3.1 充放電性能

在恒流充電時(shí)，待電壓升高到截止電壓以后進(jìn)入恒壓充電狀態(tài)，在恒壓充電時(shí)，充電電流變電減小，直到截止電流，在充電過(guò)程結(jié)束后，電池電壓和電流分別為3.3V、0A。將電池?cái)R置30min，在擱置時(shí)電池的電壓保持不變。

當(dāng)電池按0.5C倍率進(jìn)行放電時(shí)，其電壓瞬間減小到3.1V，伴隨放電深度不斷增加，電壓以?huà)佄锞€的形式降低到截止電壓，整個(gè)放電過(guò)程持續(xù)7225s，共放出50.11Ah的容量。在放電完成以后，電池電壓突然升高到2.9V，之后在擱置時(shí)，電壓又以?huà)佄锞€的形式恢復(fù)，其恢復(fù)的速度和電池放電倍率及環(huán)境溫度有直接關(guān)系。

3.2 大倍率放電條件下的電池電、熱性能

電池在一致的初始條件下以各種倍率進(jìn)行放電，一直持續(xù)到截止電壓時(shí)，電池的電、熱性能完全不同。在1.0C的放電倍率條件下，電池實(shí)際放出50.00Ah的容量，在1.5C的放電倍率條件下，電池實(shí)際放出49.09Ah的容量，而在3.0C的放電倍率條件下，電池實(shí)際放出42.07Ah的容量，在放電的瞬間，電壓壓降為80mV、0.100mV和0.300mV。可見(jiàn)，當(dāng)放電被倍率增大時(shí)，電池實(shí)際放出的容量減少，放電時(shí)瞬間壓降增加，導(dǎo)致放電平臺(tái)降低，使放電不平穩(wěn)?？梢?jiàn)，電池使用時(shí)，需減少以較大倍率進(jìn)行放電，使放電平臺(tái)保持穩(wěn)定。目前，在市場(chǎng)上大多對(duì)超級(jí)電容器和電池進(jìn)行串聯(lián)來(lái)限制放電倍率，也就是當(dāng)汽車(chē)啟動(dòng)、加速與爬坡過(guò)程中借助超級(jí)電容器來(lái)提供短時(shí)電能，避免電池由于大倍率放電產(chǎn)生能量損失與熱失控現(xiàn)象[5]。

當(dāng)電池放電倍率為1.0C時(shí)，放電經(jīng)歷3241s，在放電結(jié)束后，測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度為31℃;當(dāng)電池放電倍率為1.5C時(shí)，放電經(jīng)歷2663s，在放電結(jié)束后，測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度為33℃;當(dāng)電池放電倍率為3.0C時(shí)，放電經(jīng)歷1017s，在放電結(jié)束后，測(cè)溫點(diǎn)實(shí)際溫度為47℃。在3.0C的倍率條件下，電池實(shí)際放電容量只有80%，表面溫度在47℃以上，已經(jīng)超出安全范圍。為了使電池的運(yùn)行保持安全和穩(wěn)定，需要對(duì)使用過(guò)程中的溫度與放電倍率進(jìn)行嚴(yán)格控制。

3.3 瞬時(shí)產(chǎn)熱量

電池在恒定倍率放電過(guò)程中的產(chǎn)熱流量可表示為：

當(dāng)放電倍率為1.0C時(shí)，I的值為50A，t為0-3.241×103s，a0為5.8，a1為-6×10-3，a2為3.5×10-6;當(dāng)放電倍率為1.5C時(shí)，I的值為75A，t為0-2.663×103s，a0為8.4，a1為-10×10-3，a2為12×10-6;當(dāng)放電倍率為3.0C時(shí)，I的值為150A，t為0-1.017×103s，a0為32，a1為-20×10-3，a2為66×10-6。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，鋰離子電池憑借較高的比能量和電壓以及與環(huán)境之間的友好性而得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)實(shí)驗(yàn)與研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池的放電倍率增加時(shí)，電池可以放出的容量減小，且放電平臺(tái)降低，使其不穩(wěn)定，并導(dǎo)致電池溫度升高。如果電池以3.0C的倍率進(jìn)行放電，則能放出的容量將減少到80%，同時(shí)表面溫度上升至47℃，遠(yuǎn)超允許范圍。對(duì)此，為了保證電池使用安全，需借助混合能量系統(tǒng)與輔助散熱設(shè)備，在保證續(xù)航里程基礎(chǔ)上，對(duì)電池溫度予以嚴(yán)格控制，使其高效與安全運(yùn)行。另外，對(duì)輔助散熱系統(tǒng)進(jìn)行配備的過(guò)程中，還應(yīng)控制電池在各類(lèi)放電倍率情況下的產(chǎn)熱速率。

基金項(xiàng)目：本文為河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)自然科學(xué)項(xiàng)目《電動(dòng)汽車(chē)鋰電池的熱性能分析》的課題成果，項(xiàng)目編號(hào)：ZR-201410。

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