锂离子动力电池充放电热响应实验研究

张亚徽

摘要：为深入了解动力电池充放电过程热特性，搭建了主要包括电池、充放电装置、热电偶、数据采集装置、计算机等的单体动力电池充放电实验系统。分析了20Ah单体LiPO4电池，以0.25C、0.5C、0.75C和1C恒流充放电过程的电池表面温度变化。提出了充放电过程温度升高与电流的近似关系。

Abstract： To understand the heat production of the charge/discharge process of the power battery， the power battery charge/ discharge experimental system， including battery， charging and discharging device， thermocouple， data acquisition device and computer， was set up. The surface temperature change of 20Ah single LiPO4 battery under constant current charging and discharging process with 0.25C， 0.5C， 0.75C and 1C was analyzed. The approximate relation between temperature rise and current was proposed during charging and discharging.

关键词：动力电池；温度特性；锂离子电池；充放电

Key words： power battery；heat production；Li-ion battery；charge/discharge process

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）03-0160-03

0 引言

锂离子电池因其能量密度大、自放电少等优点具有很好的应用前景，然而使用过程中会产生大量的热量，电池内部温度会快速升高，以热失控为特征的事故时有发生[1]，引起的严重后果，图1为某热失控事故，因此研究电池热安全性非常必要。

针对电池的安全性，国内外学者进行了一系列研究。何向明等[1]统计了一系列动力电池事故演变过程，提出电池事故核心的问题是热失控。阎冬等[2]提出非常高的动力电池开发技术，包括电解液不能蒸发、泄漏，用坚固材料包装电池。许丹[3]在分析国内外典型电池火灾事故的基础上提出一些可能的控制方法，包括改善电池材料热稳定性，使用安全电解液，设计新型灭火系统等。何洪文等[4]实验研究了锂离子动力电池的工作电压、温度升高特性曲线。王震坡[5]等通过实验分析了锂离子动力电池的工作特性以及充放电率、环境温度等因素对电池性能的影响。吴凯等[6]分析了电池安全测试的影响因素。王青松等[7]分析了电池的产热过程，包括SEI膜、电解液、正极的分解，负极与电解液、负极与粘合剂的反应等。饶中浩[8]通过实验和数值计算方法研究了相变材料储热对电池温度的控制。任保福[9]通过实验数据分析讨论了充放电倍率、环境温度、荷电状态会对电池的热特性产生影响。充放电倍率越大、环境越低、荷电状态越等对电池的温升的影响。同时分析了锂离子动力电池的欧姆内阻、极化内阻的在充放电过程的比例。

1 实验装置

动力电池充放电热响应实验系统如图所示，主要包括电池、充放电装置、热电偶、数据采集装置、计算机等。其中电池采用方形磷酸铁锂（LiFePO4）动力电池（130mm×70mm×22mm），单体电池标称容量为20Ah。充放电采用BTS-M型自动测试设备，实现恒流充放电。采用Agilent 34970A数据采集仪对电池表面温度进行采集，其中热电偶为K型。热电偶布置方式如图2所示，在电池的正、负极、电池正面和侧面中心。计算机控制启动和同步记录数据。

单体动力电池模拟实验，分别以0.25C、0.5C、0.75C和1C电流恒流充放电，测试自然环境散热条件下，充放电过程电池表面温度的变化规律。充电至3.6V，放电至2.0V结束实验。

2 结果及分析

以1C恒流充电时，不同测点温度、电池内阻随时间的变化分别如图4、图5所示。可以看出，电池表面不同位置温度上升规律相似，充电过程前2500s温度上升比较缓和，2500s以后，电池表面各点温度急剧升高，分析认为充电末期电池极化明显，极化内阻增加，电池的发热率急剧增加。

比较不同位置的温度，电池温度并不均匀，P1、P2分别为正、负极，温度最高；P3为正面靠近正负极部分、P4为正面靠近底部的部分；P5、P6为两个侧面中部，温度比较接近；充电结束时，最大温差可达10℃。

图5给出1C恒流充电过程电池总内阻随时间的变化规律，可以看出，充电过程电池总内阻变化不大，只有在充电末期电池极化急剧增加，极化内阻增加导致总电阻增加。

3 结论

通过对20Ah单体电池进行充放电过程，电池表面不同位置温度进行测量，获得一系列规律。单体动力电池恒流充电过程，在充电末期电池温度急剧增加；单体电池温度分布不均匀，电池正负极温度较其它区域温度高。电池的温升随充电电流近似满足ΔT=9.22+0.007I+0.075I2。放电过程电池温度升高随电流变化近似满足ΔT=-6.05+2.978I-0.07I2。

参考文献：

[1]何向明，冯旭宁，欧阳明高.车用锂离子动力电池系统的安全性[J].科技导报，2016，34（6）：32-38.

[2]阎冬，马宏珺，杜凯，等.丰田车载动力电池安全技术路线[J].科技创新导报，2016，5（3）：32-33.

[3]许丹.中国消防协会科学技术年会论文集[M].2014.

[4]何洪文，孙逢春，张晨光，等.锂离子动力电池充放电特性的试验研究[J].北京理工大学学报，2002，22（5）：578-591.

[5]王震坡，孙逢春.锂离子动力电池特性研究[J].北京理工大学学报，2004，24（12）：1053-1057.

[6]凯吴，耀张，曾毓群，等.锂离子电池安全性能研究[J].化学进展，2011，23（2）：401-409.

[7]王青松，孫金华，陈思凝，等.锂离子电池热安全性的研究进展[J].电池，2005，35（3）：240-241.

[8]绕中浩.基于固液相变传热介质的动力电池热管理研究[D].华南理工大学，2013.

[9]任保福.大容量锂离子动力电池充放电过程热特性研究[D].北京：北京交通大学，2012.endprint