基于Minitab软件的相变材料电池组的应用研究

卓威+刘军+张文灿

摘要：锂电池作为电动汽车的重要单元，锂电池由于具有环保的优点，广泛应用于电动汽车。受低温条件下锂离子在正负极颗粒中固相扩散阻抗增大，电阻和电荷传递电阻随着温度的降低而显著增加。部分粒子在低温下结晶，刺穿了隔膜导致电池失效。为改善低温条件下锂电池的性能，该文以18650锂电池为例，进行热管理系统的优化，设计了相变材料与加热膜片预热结构，进行了放电效果实验和温度控制，得出低温环境下电池组的预热效果。

关键词：电池热管理；相变材料；储热；锂电池；电动汽车

中图分类号：TM911 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0225-03

Research on Phase Change Materials Battery under Minitab Software

ZHUO Wei，LIU Jun，ZHANG Wen-can

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Foshan University， Foshan 528000， China）

Abstract： For the advantages of environmental protection，lithium battery as an important unit of electric cars，are widely used in electric vehicles.The low temperature performance of the batteries were due to show kinetics of Li-ion diffusion in cathode and anode materials，along with the low temperature，the resistance and electric charge increased significantly.Some particles under the low temperature grain formation and pierced the diaphragm ，which lead to spent batteries.In order to improve the performance of lithium-ion batteries under the condition of low temperature ，which takes 18650 lithium batteries for example， for the optimization of thermal management system， phase change materials and preheating structure are designed，discharge experiment and temperature control be carried out， it is concluded that preheating battery pack effect under low temperature conditions.

Key words： battery thermal management；phase change material； thermal energy storage； lithium battery； electric automobile

現今电动汽车快速发展，其中锂电池作为产业化的产品，作为储能装置元件，锂电池应用领域日益扩展，目前已形成以锂电池检测系统为核心，并辅以锂电池组自动化组装系统的业务结构。锂电池相比传统的铅镍等电池具有节能环保的优势，行业发展受到政府的鼓励和支持。政府出台多项扶持政策推动锂电池产业发展，对锂电池检测系统产业发展具有积极作用。众所周知，在低温条件下，锂电池的充、放电特性将变差，容量和寿命也会衰减，进而导致车辆续驶里程及整车动力性能显著下降，充电时间明显延长。长期以来，在东北、西北等高寒地区难以推广。电池组在低温下提供能量较少导致失效，具体分为三个原因[1]：低温下内阻增大；低温下电池组回收能量较少，低温下电池内部化学反应不活跃；部分粒子在低温下结晶，刺穿了隔膜导致电池失效。而热管理系统[2]是保障电动汽车运行效率、寿命、成本与安全的重要子系统，已经引起了国内专家学者和汽车厂商的广泛关注和持续研究。根据动力电池组热管理系统的预热主要包括三种方式[3-6]，分别是基于交流电加热法、帕尔贴加热法、加热板加热法。基于目前相变传热介质管理技术的研究现状和存在的问题，特别是在动力电池热管理系统中，单一的预热方式[7-14]在国内外研究较多，而交流电加热法和帕尔贴加热法难以满足动力电池组快速预热的要求，易导致电池失效。从面向实际工程应用出发，加快相变材料热管理技术的进程，促进电动汽车技术的发展和推广。与其他形式的热管理方式相比，相变材料具备不需要风扇、排气扇以及路线设计等独特优点，被认为是促进未来高性能和小型化电动汽车发展的重要技术之一，但目前基于相变传热介质的热管理技术大多数还处于实验室的研究阶段，缺乏对其进行系统全面的研究和验证，广泛的工程应用还需要更多深入的研究工作。分析了动力电池的产热原理，在选择与制备相变材料的基础上，对基于不同温度下相变材料的电池热管理模块进行研究试验，通过试验的温度测试数据的对比分析，得出不同温度下相变材料电池热管理模块设计的优劣，同时讨论该方案的合理性。

1 动力锂离子电池理论计算

1.1 相变材料热量计算

动力电池热管理系统采用相变材料处理，其中相变材料本身具有吸收热量的特性，达到电池热管理目的。所谓的相变潜热是指单位相变材料吸取热量，故相变材料数量的选取会随动力电池模块的改变而变化，设计动力电池模块时，需要考虑相变材料的数量，并计算冷却过程中的热量，其中材料数量的计算如下[15]：endprint

[M=QdisCP（Tm-Ti）+H] （1）

其中：[Cp] 相变材料为比热容，单位为[J/（kg·K）]；[M]为相变材料的质量，单位kg；[Ti] 为相变材料沸点温度，单位[°C] ；[Qdis] 为相变材料的热量，单位J；[H] 为相变材料的相变潜热，单位[J/kg] 。其中锂电池的最佳工作温度为36[°C]，北京冬天气温取为-10[°C]，石蜡相变材料相变温度为65[°C]。

1.2 热力学分析

根据热力学知识可知，热量的传递有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。实际中的热量传递基本由这三种方式的组合而成，区分方式是某种方式在传热过程中主导地位。电池在低温预热时的热平衡方程如下：

[Qi+Qe+Ql=Qb] （2）

其中[Qi]为电池板内部充放电产生的热量，[Qe]为外部低温加热产生的热量，[Ql]为电池板与空气对流层的热量，[Qb]为电池的总吸收热量。

1.3 电热膜片内能增加量

经过微小时间[dx] 电热膜片内能升高：

[QRM=mRCRtRx+dx-tRx] （3）

[mR=nRkmlR] （4）

式中：[mR] 为电热膜片总质量，单位为kg；[CR] 为电热膜片比热容，单位为℃℃[Jkg·?C]；[tRx] 为任意x时刻电热膜片温度，单位为℃；[km] 为电热膜片密度，单位为[kg/m] 。

1.4 辐射换热

电热膜片在高温状态下向周围空间辐射，辐射的热量被石蜡所吸收。

[qE=ARεCbtR+273.151004] （5）

式中：[ε] 为电热膜片表面法向黑度，其中[ε]=0.65；[Cb] 为黑体辐射系数，[Cb]= [W/m2·K2] 。相变材料电池热管理系统的初步设计需要考虑上述公式的计算结果，动力电池模块的工作环境混乱，如需深入设计，还要将相关数据改善提高。以下是电池组热传递示意图，如图1。

2 实验方案

2.1 相变材料制备

石蜡相变材料密度900[kg·m-3]，比热容为2.9[kj·kg-1·K-1]，熔化热为220[J·g-1]，热导率为0.04[W·m-1·K-1]。首先对石蜡进行熔化处理，将放置定量石蜡的烧杯存入恒温水箱之中，其中水箱的温度保持在65℃，并将烧杯中的石蜡进行搅拌，保持十分钟后，石蜡熔化并放置于熔蜡器之中。整个灌注的过程为，将电池组置于熔蜡器中，然后从上至上下注入液体石蜡。在石蜡注入注入过程一直保持石蜡的加热，防止液态石蜡转化为固态。

2.2 低温工况下的放电测试

选用某厂家的18650三元锂电池为研究对象进行建模，并且进行简化，实验以3个电池单体串联作为研究对象，单体电池尺寸为[?18mm×65mm]，对电池模块的组装，首先在石蜡的材料中挖出方形，使用热缩膜为锂电池进行绝缘，并安装好热电偶，之后将设置好的串联电池放入的石蜡的材料中，热电偶将通过设置的插头与温度检测仪相连，为电池测试精确的温度值。对电池模块的正负极高温绝缘纸来保证良好的绝缘特性，组装过程如图1所示。实验采用实验工作温度的情况，采用北京冬季工况温度。北京冬季工况环境温度，通过恒温箱对环境温度进行控制，通过加热膜片对电池组模块进行温度控制，通过热电偶进行实际温度的采集。通过实验说明电池模塊在低温的使用条件下的放电能力及温度控制的能力。首先测试低温条件下的电池状况。将恒温箱的温度调至低温，根据目前已知的状况是电池在低温条件下放电性能普遍较差，因此只对电池进行1A放电的测试，放电30分钟[16-17]。在实验过程中采用的方法是控制变量法，即改变某一单一变量而其他参数保持不变。实验过程是测试电池组模块的预热性能。根据组合预热方式，因此实验过程中需要改变的变量是相变材料的有无，环境温度。实验过程中，为了更好的验证数据的准确性，我们采用恒温箱进行环境温度的控制，实验设备如图2。

2.3 实验仪器

具体实验设备如下：

2.4 低温工况下的放电测试

在恒温箱低温的条件下，对电池模块以及相变材料石蜡进行保温环境处理。进行保温处理后，通过对电池预热情况进行分析，确定不同工况下的预热方案。首先，根据石蜡的物理性质，作为相变材料进行实验。设定的实验，对以上各组情况进行控制变量。

从图3进行实验分析，不含有相变材料的电池组中值电压波动较大，且普遍低于含相变材料的中值电压，介于9V～2V之间，因为低温使用内阻增大。而含有相变材料的中值电压，介于10V～8.5V之间，较为稳定。

从图4进行实验分析，不含有相变材料的电池组放电能量介于1.5Ah～3.5Ah之间，且随着温度的升高而增加，变化率较大。而含相变材料的电池组放电能量介于2.5Ah～3.5Ah之间，明显高于不含相变材料的电池组放电能量。

3 结束语

在研究动力电池产生热量的原理的基础上，研究通过制作石蜡相变材料组合结构。并将这种材料应用到锂电池模块快中，对模块的制作过程进行比较详尽的描述，涉及模块与各部分的连接。另外对模块在不同温度下等，进行电池在不同工况的测试，验证相变技术在电池模块的预热效果的作用。并将两种的实验结果进行对比，对材料在性能上作出评价和分析。通过上述论文的内容，得到结论如下：

1） 对动力电池的热量产生的原理进行分析，对相变材料在冷却过程中产生的热量及相变材料进行原理的阐述，给出对应的理论公式。动力电池的热量产生原理的分析是文中实验的理论依据。

2） 通过实验结果进行分析，不含有相变材料的电池组中值电压V和放电能量Ah普遍低于含相变材料的中值电压和放电能量，相变材料对电池稳定性具有重要意义和发展前景。endprint

3） 通过实验结果进行分析，当温度处于低温时，有无相变材料与温度的交互作用明显，有材料与放电能量的主效应作用明显。基于相变材料的技术在电池中的应用具有一定的优势，在今后的电池热管理中有一定的竞争能力。

参考文献：

[1] 霍宇涛， 饶中浩， 赵佳腾， 等. 低温环境下电池热管理研究进展[J]. 新能源进展， 2015（1）：53-58.

[2] 刘鑫宇， 蔡培力， 冯亮花， 等. 浅谈纯电动汽车电池管理[J]. 科技展望， 2017（2）：173.

[3] 雷治国， 张承宁， 雷学国， 等. 电传动车辆用锂离子电池组低温加热方法研究[J]. 电源学报， 2016（1）：102-108.

[4] 张承宁， 雷治国， 董玉刚. 电动汽车锂离子电池低温加热方法研究[J]. 北京理工大学学报， 2012（9）：921-925.

[5] 雷治国， 张承宁， 董玉刚， 等. 电动汽车用锂离子电池低温性能和加热方法[J]. 北京工业大学学报， 2013（9）：1399-1404.

[6] 李军求， 吴朴恩， 张承宁. 电动汽车动力电池热管理技术的研究与实现[J]. 2016： 23-35.

[7] 李兵， 丁傳记， 孙全胜， 等. 预加热对磷酸铁锂动力电池充电性能影响的研究[J]. 客车技术与研究， 2012（3）：25-27.

[8] 吴祯利. 电动车动力电池热管理与空调系统联合仿真及控制技术研究[D].长春： 吉林大学， 2015.

[9] 胡宸. 电动汽车动力电池组低温预热系统的研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨理工大学， 2016.

[10] 谷燕龙. 动力电池成组高效冷暖装置研制与流变热控性实验研究[D]. 吉林： 吉林大学， 2015.

[11] 张鹏. 寒冷地区汽车预热器的研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 2006.

[12] 吴朴恩. 锂离子动力电池热特性建模与加热方法研究[D]. 北京： 北京理工大学， 2016.

[13] 杨鹏. 应用于高寒地区的电动汽车动力电池系统热管理技术研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2015.

[14] 彭凯. 增程式电动车动力电池组预热控制策略研究[D]. 吉林： 吉林大学， 2016.

[15] 王发成， 张俊智， 王丽芳. 车载动力电池组用空气电加热装置设计[J]. 电源技术， 2013（7）：1184-1187.

[16] 刘建文， 常赟. 钛酸锂材料蓄电池低温性能[J]. 电源技术， 2013（9）：1524-1526.

[17] Sakamoto J. The_Limits_of_Low-Temperature_Performance_of_Li-Io[J]. 2000： 2893-2896.endprint