文章來源:1.華東交通大學機電與車輛工程學院2.華東交通大學載運工具與裝備教育部重點實驗室3.江西江鈴集團新能源汽車有限公司
動力鋰離子電池的充放電效能､續航里程和使用壽命等,均對服役溫度的變化很敏感｡鋰離子動力電池在低溫下的充放電效能會嚴重下降,充電時容易導致鋰析出,甚至形成鋰枝晶,誘發電池隔膜破裂,導致電池內部短路從而失效,嚴重威脅汽車和駕駛者的安全｡這使得鋰離子電池乘用車得不到更進一步的發展,尤其是在高寒地區的普及應用｡對動力鋰離子電池進行低溫加熱,需要提升充放電效能,保證溫度均勻性,並防止析鋰現象和安全事故的發生｡
衡量動力鋰離子電池低溫加熱效能的引數主要有升溫速率和均溫性,但以往的研究主要透過監測單體之間的溫差來衡量電池包或電池模組內部的均溫性,較少考察單體內部與表面之間的溫差｡加熱過程中單體電芯內部有可能未達到電池管理系統(BMS)開啟充電的最低溫度,從而造成安全隱患｡
本文作者在製作單體電芯時內建熱電偶,以監測加熱過程中單體電芯內部溫度變化過程,為深入研究動力鋰離子電池低溫加熱效能提供資料支撐,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
實驗採用動力鋰離子電池(鎮江產,3.67V/52Ah),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148.2mm×26.7mm×101.0mm｡採用的加熱元件為正溫度係數熱敏電阻(PTC,東莞產),額定功率為100W,額定電壓為60V,內阻為35.93Ω,尺寸為368mm×155mm×2mm,電源由外部提供｡加熱實驗主要採用3類箱體,包括泡沫箱體､塑膠箱體､塑膠箱體加隔熱棉｡泡沫箱體內尺寸為500mm×280mm×200mm,箱體厚度為20mm｡塑膠箱體內尺寸為580mm×420mm×310mm,箱體厚度為2mm｡隔熱棉置於電芯底部與加熱膜(PTC材料)之間,厚度為5mm｡模組電芯佈置如圖1所示,用TP720拓普瑞無紙記錄儀(深圳產)記錄電池溫度資料｡該記錄儀採用輸入的採集模組,能同時採集溫度(熱電偶､熱電阻)､溼度､壓力､流量和液位等引數｡
實驗電池組由12只單體電池串聯而成,電芯底部安裝加熱膜｡實驗時,電池完全密封置於箱體內｡
1.2實驗測試方案
將電池在-20℃下靜置,直至所有電芯內部熱電偶溫度達到環境溫度(-20±2)℃;採用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達到10℃,停止加熱;恢復至室溫後,將電池在-10℃下靜置,直至所有電芯內部熱電偶溫度達到環境溫度(-10±2)℃;採用100W的功率加熱,直至所有極耳溫度達到10℃,停止加熱｡加熱結束後關閉加熱元件,採集各溫度點的加熱資料｡
2結果與討論
為研究箱體對電芯升溫速率的影響,將電芯分別置於泡沫箱和塑膠箱內,在-10℃和-20℃下進行加熱實驗,測量大面底部､模組內部､大面中心､正負極耳等的溫度資料,並進行分析處理｡
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電芯加熱溫升和升溫速率如圖2所示｡
從圖2可知,對於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｡對於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,表現出一定的不均勻性｡綜上所述,對於同一電芯,溫升從大到小依次為大面底部､大面中心､內部和極耳,從大面底部到正負極耳逐漸遞減,表現出一定的溫度梯度,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塑膠箱體
-20℃､-10℃的加熱時間分別為83.0min､49.2min,各電芯的加熱溫升及升溫速率見圖3｡
從圖3可知,塑膠箱的溫升梯度與泡沫箱體類似,相比於泡沫箱體,塑膠箱體的模組溫升高3.00~4.00℃,但升溫速率卻低2.00~3.00℃/h｡泡沫箱體各電芯內部在-10℃和-20℃的加熱升溫速率基本一致,而塑膠箱體在-10℃下的加熱升溫速率明顯大於-20℃｡塑膠箱體的導熱效能遠好於泡沫箱體,使箱體內部環境溫度與外部環境溫度一致｡
在塑膠箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00~4.00℃/h,因此電池包的殼體採用塑膠箱體為佳｡
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63.0min､45.0min,圖4和圖5分別為隔熱棉對塑膠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號電芯內部,為34.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內部,為33.03℃/h;無隔熱棉的最高溫升在6號電芯內部,為36.30℃,最高升溫速率也在6號電芯內部,為32.86℃/h｡模組中部電芯升溫速率高於兩側,說明模組電芯底部受熱不均｡加隔熱棉後,模組內部溫升下降1.00~2.00℃,但升溫速率上升1.00℃/h,這是由於隔熱棉的隔熱作用｡在塑膠箱體內部加隔熱棉,能達到與電池包箱體內部相同的導熱環境｡
3數值模擬
3.1數學模型
PTC材料具有正溫度係數,當溫度超過某一數值時,隨著溫度上升,電阻率以指數形式增大,生熱功率急劇下降｡鋰離子電池組採用PTC材料來加熱,加熱過程中動力電池不進行充放電｡若將電池模組作為整體進行考慮,電池熱量滿足式(1):
式(1)中:Q為加熱膜產生的總熱量;Q為電池模組本身吸收的熱量;Qba和Qha分別為電池､加熱膜與環境交換的熱量｡
電池吸收的熱量用式(2)表示:
式(2)中:mi､Cpi､ΔTi分別為第i只電池單體的質量､比熱容和溫度變化;N為電池單體數量｡
若在絕熱環境下,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｡
電池的熱輻射主要發生在表面,與表面材料的性質有關,可用斯特藩⁃玻爾茲曼(Stefan⁃Boltzmann)修正經驗公式描述輻射傳熱能力｡在密閉容器內,物體單位時間､單位面積對外發射的輻射熱量的計算公式見式(4)｡
熱對流只有在流體中才會存在,且伴隨著流體分子運動產生熱的傳導｡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為表面傳熱係數,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,熱傳導過程服從傅立葉定律:
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;比例係數λ為導熱係數(或導熱率),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,透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｡
在模擬建模前,需建立電池的導熱微分方程｡實驗忽略一些次要因素,簡化假設如下:①所研究的物體是各向同性的連續介質;②該物體的導熱係數､比熱容和密度等物性引數均已獲得;③內熱源在物體內部空間均勻分佈｡
據此,建立常物性､三維､內建熱源的非穩態導熱方程:
式(7)中:τ為加熱時間,s;ϕ為內熱源強度,W/m;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
針對塑膠箱體所密封的模組,進行-10℃環境下的低溫加熱模擬分析,利用連續介質力學數值技術結合現代軟體工程技術(STAR⁃CCM)+劃分網格,如圖6所示,之後與實驗所得資料進行對比,驗證模擬的準確度｡
3.3計算條件
計算時,認為電池間無縫隙環境溫度為電池對流換熱係數為6W/(m2·℃),密度為2255kg/m3,比熱容為980J/(kg·℃)｡導熱係數x軸和y軸相同,設定為2.732W/(m·℃),z軸設定為0.913W/(m·℃)｡
4計算結果與分析
將實驗測試結果和模擬計算結果進行對比,如圖7､圖8所示｡
從圖7､圖8可知,模擬計算結果與實驗測試結果吻合良好,但模擬計算值略高於實驗測試值｡這是因為模型不考慮內部熱損失,邊界條件考慮得較理想,自然對流換熱係數與實驗環境有差異｡模型計算過程中可以發現,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､電池內部和正負極耳｡這與實驗測試結果的變化規律吻合｡
5結論
為研究電池低溫加熱過程中模組和電芯內部均溫性,本文作者分別透過實驗和數值模擬兩種方法,採用PTC加熱元件對有無隔熱棉的塑膠箱和泡沫箱內的電池模組進行加熱,結果表明:
在相同環境溫度和加熱功率下,對於同一電芯,溫升最大為大面底部,大面中心第二,內部次之,極耳最小;從下部到上部逐漸遞減,表現出一定的溫度梯度｡
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,在塑膠箱體中,極耳升溫速率平均相差3.00~4.00℃/h｡
塑膠箱體的導熱性遠大於泡沫箱體,致使箱體內部環境溫度基本與箱體外部環境溫度一致;透過模擬得到電池溫升趨勢與實驗相同｡
在加熱過程中,極耳溫度一直處於最小值,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計提供了一定的理論依據,對電動汽車向低溫區域推廣應用具有現實意義｡
