锂离子蓄电池电芯产热特性的实验研究

张迪 王枭飞

摘 要

本文通过实验方法对锂离子蓄电池的电芯产热特性进行了实验研究，并对电芯产热速率与充电时间的关系曲线进行了拟合，拟合结果对蓄电池的发热特性研究具有一定参考价值。

关键词

蓄电池;热特性;热模型

中图分类号： TM912             文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.064

Abstract

In this paper，the heat generation characteristics of lithium-ion battery has been studied by experimental method，and the curve between the heat generation rate and the charging time is fitted.The fitting results have certain reference value for the study of the heat generation characteristics of battery.

Key Words

Battery;Thermal characteristics;Thermal model

在节能减排的社会背景下，电动汽车已成为汽车产业的重要发展趋势，而制约电动汽车发展的最大瓶颈即为大型锂离子电池。锂电池在充放电过程中产生的热量等相关问题对其使用寿命和安全性能造成较大影响。本文通过实验方法对锂离子电池热参数和电池产热进行了分析和研究。

1 锂离子电池的热模型

2 热参数的实验测量

根据Bernardi电池产热模型，电池工作电压与其开路电压之差（U-E），即过电压的获得，以及电池熵热系数（dU/dT）的测量是分析蓄电池热特性的关键。本文实验所研究的是一款20 Ah的锂离子电池，其具体参数如表1所示。

2.1 过电压的测量

首先利用静置法对其开路电压与荷电状态的关系进行分析。静置法获取开路电压值是指当电池在停止充放电后，通过长时间的静置状态而得到的较为准确和稳定的开路电压值。通过静置法测得开路电压随荷电状态的变化曲线如下图所示。

在此基础上，测量不同倍率充电电流下的工作电压，得到蓄电池的过电压如图2所示。

根据图2，蓄电池在充电过程中的过电压受荷电状态和充电倍率的影响较大。在充电的初始阶段，電池的过电压维持在一个较低的水平，其区间为300～400mV，且随着充电过程的进行，蓄电池的过电压逐步减小。在充电的初始阶段以及将要结束阶段，蓄电池的过电压变化率较大。这主要是因为，在这两个阶段的蓄电池电解液中锂离子的浓度梯度较大，而其所引起的浓度极化程度进一步加剧。

2.2 熵热系数的测量

电池产热模型的可逆热通过测量不同荷电状态下的熵热系数得到，而不同环境温度下，熵热系数dU/dT随荷电状态SOC的变化曲线如图3所示。需要注意的是，熵热系数的测量一般存在一定的误差，这主要是由电池内部温度的延迟传导或活性材料相变的延迟等原因导致的。

根据上图不难看出，不同环境温度下熵热系数变化趋势基本相同，熵热系数在荷电状态为0.4～0.6区间内较高，反应出电池在此阶段的电化学反应最为强烈。为了尽量减小测量的误差，在计算电池产热过程中，熵热系数的取值为上述三种环境温度下的平均值。

3 蓄电池产热的数值拟合

为更好地分析蓄电池的热行为，我们对蓄电池产热模型进行适当、合理的假设，包括：

（1）鉴于蓄电池电芯厚度很薄，考虑其温度只在XY平面上有分布，而在厚度方向即Z方向没有变化，这时，我们可以将三维热模型简化为二维热模型。

（2）电芯在XY平面内具有各项同性性质，其产热率分布均匀。

为计算1 C充电过程中电芯产热率与时间的关系函数，对环境温度为25℃的熵热系数和过电压随荷电状态的关系曲线进行拟合，根据Bernardi电池产热模型，得到电芯产热速率随时间的变化关系。在拟合过程中，不考虑温度对可逆热和不可逆热的影响，采用7阶多项式以表现电芯产热率随时间的变化趋势：

从图4不难看出，电芯实验的产热速率与我们通过数值拟合所得到的产热速率变化趋势基本相同，拟合的结果能够在较大程度上描述锂离子蓄电池电芯产热情况。

4 总结

本文适当对锂离子蓄电池的热模型进行简化，并通过实验方法对锂离子蓄电池开路电压、过电压和熵热系数随荷电状态的变化关系进行了分析，对电芯产热实验数据进行数值拟合，拟合结果对蓄电池的发热特性研究具有一定参考价值。

参考文献

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