李 駿,廖 鈺,劉俊宇,曾建邦,*

(1.華東交通大學機電與車輛工程學院,江西 南昌 330013;2.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室,江西 南昌 330013;3.江西江鈴集團新能源汽車有限公司,江西 南昌 330000)

動力鋰離子電池的充放電性能、續(xù)航里程和使用壽命等,均對服役溫度的變化很敏感[1]。鋰離子動力電池在低溫下的充放電性能會嚴重下降,充電時容易導致鋰析出,甚至形成鋰枝晶,誘發(fā)電池隔膜破裂,導致電池內(nèi)部短路從而失效,嚴重威脅汽車和駕駛者的安全[2]。這使得鋰離子電池乘用車得不到更進一步的發(fā)展,尤其是在高寒地區(qū)的普及應(yīng)用。對動力鋰離子電池進行低溫加熱,需要提升充放電性能,保證溫度均勻性,并防止析鋰現(xiàn)象和安全事故的發(fā)生[3]。

衡量動力鋰離子電池低溫加熱性能的參數(shù)主要有升溫速率和均溫性,但以往的研究主要通過監(jiān)測單體之間的溫差來衡量電池包或電池模組內(nèi)部的均溫性,較少考察單體內(nèi)部與表面之間的溫差。加熱過程中單體電芯內(nèi)部有可能未達到電池管理系統(tǒng)(BMS)開啟充電的最低溫度,從而造成安全隱患[4]。

本文作者在制作單體電芯時內(nèi)置熱電偶,以監(jiān)測加熱過程中單體電芯內(nèi)部溫度變化過程,為深入研究動力鋰離子電池低溫加熱性能提供數(shù)據(jù)支撐,對制定更加精準的動力鋰離子電池加熱策略具有實際意義。

1 實驗

1.1 實驗測試條件

實驗采用動力鋰離子電池(鎮(zhèn)江產(chǎn),3.67 V/52 Ah),正極材料為鎳鈷錳酸鋰(LiNiMnCoO2),負極材料為石墨,充放電工作溫度為-30～55℃,尺寸為148.2 mm×26.7 mm×101.0 mm。采用的加熱元件為正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC,東莞產(chǎn)),額定功率為100W,額定電壓為60 V,內(nèi)阻為35.93 Ω,尺寸為368 mm×155 mm×2 mm,電源由外部提供。加熱實驗主要采用3類箱體,包括泡沫箱體、塑料箱體、塑料箱體加隔熱棉。泡沫箱體內(nèi)尺寸為500 mm×280 mm×200 mm,箱體厚度為20mm。塑料箱體內(nèi)尺寸為580 mm×420 mm×310 mm,箱體厚度為2 mm。隔熱棉置于電芯底部與加熱膜(PTC材料)之間,厚度為5 mm。模組電芯布置如圖1所示,用TP720拓普瑞無紙記錄儀(深圳產(chǎn))記錄電池溫度數(shù)據(jù)。該記錄儀采用輸入的采集模塊,能同時采集溫度(熱電偶、熱電阻)、濕度、壓力、流量和液位等參數(shù)。

圖1 模組電芯布置Fig.1 Module cell arrangement

實驗電池組由12只單體電池串聯(lián)而成,電芯底部安裝加熱膜。實驗時,電池完全密封置于箱體內(nèi)。

1.2 實驗測試方案

將電池在-20℃下靜置,直至所有電芯內(nèi)部熱電偶溫度達到環(huán)境溫度(-20±2)℃;采用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達到10℃,停止加熱;恢復至室溫后,將電池在-10℃下靜置,直至所有電芯內(nèi)部熱電偶溫度達到環(huán)境溫度(-10±2)℃;采用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達到10℃,停止加熱。加熱結(jié)束后關(guān)閉加熱元件,采集各溫度點的加熱數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

為研究箱體對電芯升溫速率的影響,將電芯分別置于泡沫箱和塑料箱內(nèi),在-10℃和-20℃下進行加熱實驗,測量大面底部、模組內(nèi)部、大面中心、正負極耳等的溫度數(shù)據(jù),并進行分析處理。

2.1 箱體對電芯升溫速率的影響

2.1.1 泡沫箱體

環(huán)境溫度為-20℃、-10℃時,所需的加熱時間分別為62.3min、44.7min。不同溫度下泡沫箱體內(nèi)電芯加熱溫升和升溫速率如圖2所示。

圖2 不同溫度下泡沫箱體內(nèi)電芯加熱的溫升和升溫速率Fig.2 Heating temperature rise and temperature rising rate of the cell in foam box at different temperatures

從圖2可知,對于1號電芯,大面底部在-20℃時溫升最大,為37.90℃,在-10℃時升溫速率最快,為36.96℃/h;負極耳在-10℃時溫升最小,為23.20℃,升溫速率也最慢,為27.59℃/h,溫升及升溫速率從大面底部到正負極耳逐漸遞減。對于6號電芯,大面底部在-20℃時溫升最大,達到了40.30℃,在-10℃時升溫速率最快,為29.20℃/h;負極耳在-10℃時溫升最小,為23.20℃,升溫速率也最慢,為29.78℃/h,溫升及升溫速率逐漸遞減。環(huán)境溫度為-20℃時,電池組的溫差為2.60℃,升溫速率相差2.35℃/h;環(huán)境溫度為-10℃時,電池組的溫差為1.40℃,升溫速率相差1.80℃/h,升溫速率中間快兩邊慢,表現(xiàn)出一定的不均勻性。綜上所述,對于同一電芯,溫升從大到小依次為大面底部、大面中心、內(nèi)部和極耳,從大面底部到正負極耳逐漸遞減,表現(xiàn)出一定的溫度梯度,因此以極耳為最低加熱溫度的策略較為可靠。不同溫度下加熱的升溫速率差別很小,同一部位在不同溫度下的升溫速率大致相同。在泡沫箱體中,極耳的升溫速率平均相差1.00℃/h。

2.1.2 塑料箱體

-20℃、-10℃的加熱時間分別為83.0 min、49.2 min,各電芯的加熱溫升及升溫速率見圖3。

圖3 不同溫度下塑料箱體內(nèi)電芯加熱的溫升和升溫速率Fig.3 Heating temperature rise and temperature rising rate of the cell in plastic box at different temperatures

從圖3可知,塑料箱的溫升梯度與泡沫箱體類似,相比于泡沫箱體,塑料箱體的模組溫升高3.00～4.00℃,但升溫速率卻低2.00～3.00℃/h。泡沫箱體各電芯內(nèi)部在-10℃和-20℃的加熱升溫速率基本一致,而塑料箱體在-10℃下的加熱升溫速率明顯大于-20℃。塑料箱體的導熱性能遠好于泡沫箱體,使箱體內(nèi)部環(huán)境溫度與外部環(huán)境溫度一致。在塑料箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00～4.00℃/h,因此電池包的殼體采用塑料箱體為佳。

2.2 隔熱棉對電芯升溫速率的影響

-20℃、-10℃的加熱時間分別為63.0 min、45.0 min,圖4和圖5分別為隔熱棉對塑料箱體加熱溫升及升溫速率的影響。

從圖4、圖5可知,帶隔熱棉的最高溫升在6號電芯內(nèi)部,為34.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內(nèi)部,為33.03℃/h;無隔熱棉的最高溫升在6號電芯內(nèi)部,為36.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內(nèi)部,為32.86℃/h。模組中部電芯升溫速率高于兩側(cè),說明模組電芯底部受熱不均。加隔熱棉后,模組內(nèi)部溫升下降1.00～2.00℃,但升溫速率上升1.00℃/h,這是由于隔熱棉的隔熱作用。在塑料箱體內(nèi)部加隔熱棉,能達到與電池包箱體內(nèi)部相同的導熱環(huán)境。

圖4 隔熱棉對溫升的影響Fig.4 Effects of thermal insulation cotton on temperature rise

圖5 隔熱棉對升溫速率的影響Fig.5 Effects of thermal insulation cotton on temperature rising rate

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)學模型

PTC材料具有正溫度系數(shù),當溫度超過某一數(shù)值時,隨著溫度上升,電阻率以指數(shù)形式增大,生熱功率急劇下降。鋰離子電池組采用PTC材料來加熱,加熱過程中動力電池不進行充放電。若將電池模塊作為整體進行考慮,電池熱量滿足式(1):

式(1)中:QH為加熱膜產(chǎn)生的總熱量;Qb為電池模塊本身吸收的熱量;Qba和Qha分別為電池、加熱膜與環(huán)境交換的熱量。

電池吸收的熱量用式(2)表示:

式(2)中:m i、Cpi、ΔT i分別為第i只電池單體的質(zhì)量、比熱容和溫度變化;N為電池單體數(shù)量。

若在絕熱環(huán)境下,電池、加熱膜與外界交換的熱量為0,即Qba=Qha=0,則式(2)可化簡為:

在實際過程中,電池不可能處在絕熱環(huán)境,一定存在著熱量的傳遞。熱傳遞主要有3種基本形式,分別為熱輻射、熱對流和熱傳導[5]。

電池的熱輻射主要發(fā)生在表面,與表面材料的性質(zhì)有關(guān),可用斯特藩-玻爾茲曼(Stefan-Boltzmann)修正經(jīng)驗公式描述輻射傳熱能力。在密閉容器內(nèi),物體單位時間、單位面積對外發(fā)射的輻射熱量的計算公式見式(4)。

式(4)中:E為單位熱流量;ε1為黑體輻射常數(shù),取值為5.67×10-8W/(m2·K4);σ為比例系數(shù),取值為5.670 373(21)×10-8W/(m2·K4);T1、T2分別為物體表面的溫度和空腔的溫度,K。

熱對流只有在流體中才會存在,且伴隨著流體分子運動產(chǎn)生熱的傳導。動力電池周圍充滿空氣,在加熱過程中,空氣的流動會與電池和加熱膜產(chǎn)生對流換熱。

熱對流的基本計算用牛頓公式表示為:

式(5)中:φ為熱流量,W;A為面積,m2;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K4);Tw、Tf分別為壁面溫度和流體溫度,K。

熱傳導的形成有兩個條件:存在溫差;必須直接接觸。在PTC加熱過程中,加熱膜與動力電池底部直接接觸,因此熱傳導是動力電池底面加熱過程中熱量傳遞的主要方式,熱傳導過程服從傅里葉定律[6]:

式(6)中:負號表示熱傳遞方向與溫度傳遞的正方向相反;q為熱量的傳導量,W/m2;比例系數(shù)λ為導熱系數(shù)(或?qū)崧?,W/(m·K);θ為溫度;n為導熱面長度,m;箭頭表示方向;grad(θ)是空間某點的溫度梯度。

動力電池在PTC加熱過程中,通過熱輻射傳遞的熱量非常少,因此本文作者主要考慮其他兩種熱傳遞方式:熱傳導和熱對流。

在仿真建模前,需建立電池的導熱微分方程。實驗忽略一些次要因素,簡化假設(shè)如下:①所研究的物體是各向同性的連續(xù)介質(zhì);②該物體的導熱系數(shù)、比熱容和密度等物性參數(shù)均已獲得;③內(nèi)熱源在物體內(nèi)部空間均勻分布。

據(jù)此,建立常物性、三維、內(nèi)置熱源的非穩(wěn)態(tài)導熱方程:

式(7)中:τ為加熱時間,s;為內(nèi)熱源強度,W/m3;ρ為電池平均密度,kg/m3;c為電池比熱容,J/(kg·℃);?x、?y和?z表示空間x、y和z軸的積分。

3.2 物理模型

針對塑料箱體所密封的模組,進行-10℃環(huán)境下的低溫加熱仿真分析,利用連續(xù)介質(zhì)力學數(shù)值技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代軟件工程技術(shù)(STAR-CCM)+劃分網(wǎng)格,如圖6所示,之后與實驗所得數(shù)據(jù)進行對比,驗證仿真的準確度。

圖6 電池模組溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution diagram of batterymodule

3.3 計算條件

計算時,認為電池間無縫隙。環(huán)境溫度為-10℃,電池對流換熱系數(shù)為6W/(m2·℃),密度為 2 255 kg/m3,比熱容為980 J/(kg·℃)。導熱系數(shù)x軸和y軸相同,設(shè)置為2.732 W/(m·℃),z軸設(shè)置為0.913W/(m·℃)。

4 計算結(jié)果與分析

將實驗測試結(jié)果和仿真計算結(jié)果進行對比,如圖7、圖8所示。

圖7 -10℃塑料箱體內(nèi)電池模組加熱溫升與升溫速率的仿真與實驗分析Fig.7 Simulation and experimental analysis of the heating temperature rise and temperature rising rate of the battery module in the-10℃plastic box

圖8 各電芯仿真與實驗對比分析Fig.8 Simulation and experimental analysis of each cell

從圖7、圖8可知,仿真計算結(jié)果與實驗測試結(jié)果吻合良好,但仿真計算值略高于實驗測試值。這是因為模型不考慮內(nèi)部熱損失,邊界條件考慮得較理想,自然對流換熱系數(shù)與實驗環(huán)境有差異。模型計算過程中可以發(fā)現(xiàn),在加熱初始階段,電芯溫度基本相同,隨著加熱過程的進行,各電芯溫升表現(xiàn)出一定的差異性,由大到小依次為電芯大面底部、大面中心、電池內(nèi)部和正負極耳。這與實驗測試結(jié)果的變化規(guī)律吻合。

5 結(jié)論

為研究電池低溫加熱過程中模組和電芯內(nèi)部均溫性,本文作者分別通過實驗和數(shù)值模擬兩種方法,采用PTC加熱元件對有無隔熱棉的塑料箱和泡沫箱內(nèi)的電池模組進行加熱,結(jié)果表明:

在相同環(huán)境溫度和加熱功率下,對于同一電芯,溫升最大為大面底部,大面中心第二,內(nèi)部次之,極耳最小;從下部到上部逐漸遞減,表現(xiàn)出一定的溫度梯度。

不同溫度下加熱速率的差值很小,同一部位在不同溫度下的升溫速率大致相同;在泡沫箱體中,極耳升溫速率平均相差1.00℃/h,在塑料箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00～4.00℃/h。

塑料箱體的導熱性遠大于泡沫箱體,致使箱體內(nèi)部環(huán)境溫度基本與箱體外部環(huán)境溫度一致;通過仿真得到電池溫升趨勢與實驗相同。

在加熱過程中,極耳溫度一直處于最小值,這表明以極耳溫度作為加熱開啟溫度的最低溫度策略,較為可靠。

該研究為指導實際電動汽車動力電池低溫加熱策略設(shè)計提供了一定的理論依據(jù),對電動汽車向低溫區(qū)域推廣應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。