高温脉冲工况下钛酸锂电池热特性

2021-06-03王延宁严其艳席海亮

电源技术 2021年5期

关键词：冷板钛酸表面温度

王延宁 ,严其艳 ,席海亮

(1.广东科技学院机电工程学院，广东东莞5 230832；兰州工业学院汽车工程学院，甘肃兰州 730050)

锂离子电池是目前我国应用最广泛的化学电源，锂离子电池具有使用寿命长，对环境污染较小等优点[1]。随着锂电池技术发展，不同正极材料的锂离子电池(钴酸锂、磷酸铁锂、高镍)被研发出来，且已广泛应用。

钛酸锂电池是一种新型的锂离子电池，其负极是钛酸锂。与传统锂离子电池相比，钛酸锂电池循环寿命更长，充电倍率更高。越来越多的专家学者们致力于将钛酸锂电池应用于电动汽车和电力储能行业的研究[2-3]。

钛酸锂电池虽然具备高倍率充放电特点，但在高温下，高倍率充放电也会产生大量热[4]。如果热量在密闭或狭小空间中无法释放时，仍然会产生热失控甚至爆炸等危险。

钛酸锂电池过量发热会导致电池变形，也会使寿命降低。因此需要研究高温条件下，脉冲充电放电工况下钛酸锂电池热行为。根据实时监测数据，对其生热机理、产热功率进行定性定量研究。

文献[5]借助COMSOL Multiphysics 数值模拟软件，研究不同工况下锂离子电池的温度分布并进行热行为分析，并得出锂离子电池温度分布主要受加热温度和对流传热系数的影响，并且电池温度达到126.85 ℃以上时,会引发内部的副反应发生，造成热失控，损坏电池。文献[6]对脉冲放电过程中锂离子电池的热行为进行分析，采用加速量热仪与电池充放电循环仪，实时测量温度曲线和电压曲线。在脉冲过程及之后静置时间内，电压呈现先急剧下降再增加的变化。电池温度因脉冲的存在高于正常放电过程的温度，温升速率曲线在脉冲瞬间也急剧增大，但随着电池内部温度的增加，脉冲电流对温度、温升速率的影响减弱。因传热滞后，在脉冲瞬间电池温度并没有表现出明显的快速上升现象。

在此基础上，对高温脉冲工况下钛酸锂电池热特性进行实验研究，为钛酸锂电池的安全使用提供参考。

1 实验

为研究不同脉冲电流下钛酸锂电池热特性，本文将实验分两部分，第一阶段在恒温箱中进行60 ℃恒温条件下充放电实验，测试电池在不同条件下工作时的温度、容量、电压变化情况；在分析了单体电池在充放电过程中的表面温度分布情况之后，研究不同充放电倍率、不同环境温度、不同荷电状态对电池热特性产生的影响，探讨电池热特性变化规律；第二阶段，在密闭绝热环境下进行充放电实验，研究电池在该条件下的热特性与安全性[7-8]。

1.1 实验仪器与实验对象

瑞士Systag 公司Calo2310 型号加速量热仪；智能型ZLD电池充放电循环测试仪；1 Ah 软包钛酸锂电池，工作电压范围为1.5～2.8 V；铝合金水冷板2 个，功率分别为5 和25 W。上海麦捷公司的GDWS-50 型号恒温箱。

1.2 实验方法

实验在恒温箱中进行。用尼龙绳将电池与热防护筒组成的试件悬挂在恒温箱中，热防护筒和电池上粘贴加热片和测温电偶来加热和控制温度。测温热电偶线与温度跟踪热电偶线引到热防护筒外。电池和防护筒上所有的加热器引线、热电偶引线、温度跟踪热电偶引线、电池充放电电缆及电压测量线等都经由恒温箱密封插头引至箱外[9-10]。在热防护筒及电池单体的对应位置粘贴测温热电偶，保证实验前防护筒与电池单体温度相同，为电池单体提供一个绝热的环境。在电池表面上均匀布置10 个热电偶，分别在电极两端各一个、电池两侧各一个、底部一个以及正表面均匀布置五个，共10 个温度测试点[11-12]。试件与实验设备的示意图如图1 所示。

图1 试件与实验设备的示意图

设置每次的放电时间为1 h，分别记录0.3C、0.6C、1.0C充放电锂电池的各个数据。

采用恒流充电，充电结束后搁置1 h，当电池温度降低，与环境温度相同时对电池以特定脉宽的脉冲电流，放电到1.6 V 时停止放电，结束后再搁置1 h。1 Ah 的钛酸锂电池高温脉冲工况设计见表1。

表1 实验工况表

1.3 实验结果

1.3.1 单体电池绝热条件热特性实验

电池单体进行1C倍率充放电时，电池表面温度不同测点随充放电时间的变化曲线如图2 所示。

从图2 中可以看出，充电时，电池温度随着放电时间先上升后下降，主要是因为电池充电时先恒流充电后恒压充电，在3 500 s 的时候电池转为恒压充电，电流减小，所以发热量下降；刚开始充放电时，电池表面各测温点的温差几乎为零，随着充放电时间的增加，电池表面温差越来越大；在1C充放电条件下，不同测点间最大温差为2 ℃，所以单体电池表面在工作过程中的温差都很小；不管是充电还是放电，中心点(209)温度最高，最接近电池内部温度，接下来给出的实验数据是中心点(209)温度，代表电池温度。

图2 1 C倍率充放电时电池表面温度(不同测点)变化

为了测试绝热时钛酸锂电池的温度变化，使用聚苯乙烯泡沫塑料作为隔热体实现绝热检测。观察在不同放电倍率情况下放电末期电池中心点(209)温度，分别达到77、78 和79 ℃，温升分别为9、10 和11 ℃(如图3 所示)。从图3 实验结果可以看出，电池充放电倍率越大，最高温度值越大且电池的温度场的均匀性越差，造成这种现象的主要原因是放电电流的增大使电池产生的热量增多，同时电池放电时间缩短，造成了电池内部热量不能及时扩散出去。若不采取散热等措施，会造成热累积，当热量累积到一定量将导致热失控及安全事故的发生[13-14]。

图3 绝热条件下不同倍率放电时电池表面温度变化

1.3.2 单体电池散热方式实验

对流换热条件是影响电池传热的重要因素，将电池先后置于自然对流和强制对流环境中进行测试。在上述实验环境下，参照自然环境空气流动速度，选择工作效率为5 W/(m2·K)的铝合金水冷板，放入恒温箱内模拟自然对流条件；强制空气对流冷却条件选择25 W/(m2·K)的铝合金水冷板放入恒温箱内模拟强制空气对流条件。将二者数据进行对比，两种冷却条件下的电池表面温度数据见表2。

从表2 可以看出，强制对流比自然对流在降温速度上更快，可在相同时间内把电池表面温度降至更低些。放电倍率为0.3C、0.6C与1C情况下，自然冷却下，放电末期电池表面温度分别达到72.8、75.1 和77.5 ℃，温升分别为4.7、7.1 和9.0 ℃；强制空气对流冷却下，放电末期电池表面温度分别达到70.5、71.5 和73.2 ℃，温升分别为2.4、3.4 和5.1 ℃。

表2 电池表面温度波动效果 ℃

钛酸锂电池充电过程有可能出现胀气，胀气会导致电池由内向外散热条件变差，这会对电池性能与寿命产生不利影响。所以，使用钛酸锂电池时，往往采用冷板散热。冷板夹置在单体电池之间，一方面利用冷板上的金属导热条将电池热量传送至底板，另一方面冷板可以对电池壳体或包装约束压紧，一定程度上减小气胀变形。传导至底板的热量将会被对流的空气带走[15]。

图4 为冷板散热不同放电倍率放电时电池温度变化曲线。