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1、811型动力电池内部温度及生热特性测试与分析锂离子电池已广泛应用于日常消费类电源、电力储能、汽车等不同领域，其中车用动力锂离子电池本身具有能量密度高、电池容量大、充放电流大等特点，除此之外，与其他类别电池使用情况相比，动力电池的使用工况也更为复杂多变。在电池的循环使用过程中，化学能与电能的相互转化过程中，在电池内部会同时伴随发生反应热、极化热及欧姆热等生热现象，进而引起电池的温升。近年来,随着动力锂离子电池比能量的不断提高，使得电池在使用过程中所表现出的生热及温升现象也更为明显，电池一系列生热及温升现象均会对电池的应用表现带来直接影响。对动力电池使用过程中生热率和温升现象的测试与量化计算，是研
2、究和了解电池热安全问题的基础。在对电池热特性的分析研究中，通过实验测试与数值模拟的研究方法，可实现对电池热特性参数和热安全问题的分析与预测。CForgez和X.Lin等人使用数值模拟方法对电池进行热分析研究时，采用集中热阻法，将电池内部放电生热量集中于电池中心位置处进行模拟计算。但在电池实际放电生热过程中，由于电池内部结构多为螺旋绕制或层叠式等多层式结构，所以在电池工作过程中，其内部各层均应产生热量，同时，K.Shah等人在研究中也提出，电池在实际工作时，电池内部各处均会产生热量。在测试方法中，研究者们大多采用在电池表面或电池内部布置温度传感器的方式对电池在不同工况下的温度分布进行测试。在探究
3、温度对电池使用影响的研究文献中已有提出，锂离子电池的工作状态受工作温度的影响较为敏感，例如，在低温环境中，电池所表现出来的放电容量迅速降低、放电电压平台突降现象提前、电池内阻急剧增加等现象；在高温工作状态中，短时间内电池的放电电压平台和充放电容量均会有所增加，但若放任电池长时间持续工作在高温状态下，则会加速电池使用寿命的衰退，进一步可能演变触发热失控等严重后果。电池生热率的测试计算是研究电池生热机理和模拟预测电池温升的基础，它是分析与预测电池温度场变化及热安全事故触发的重要手段之一。为了分析研究高比能量动力电池在使用过程中的生热率和温度变化情况，本文中以21700型811三元锂离子动力电池单体
4、作为测试研究对象，对其生热速率及温度参数进行测试与量化计算。1电池生热率计算在电池放电过程中，总的放电生热量可分为储存于电池内部中的热量和通过电池表面散失到环境当中的热量，如式(1)所示。其中qtotal(t)表示电池各时刻的总生热率，单位(W)；qin(t)表示存储于电池内部生热量的速率大小，单位(W),其增加会引起电池温升速率加快；而qout(t)则表示各时刻通过电池表面扩散至外界环境的热量，单位(W),其数值大小可由热流传感器测试获得。(1)中qin(t)可通过电池体积、电池比热容和电池整体温度平均变化速率计算得到，如下式(2)给出的qin(t)的计算方法：式(2)中，P为电池密度，单位
5、(kgm3);Vb为电池体积，单位(m3)；Cp为电池比热容单位(J(kg)；Tave(t)表示电池整体温度平均变化速率，单位(Cs)。式(3)则给出了电池整体温度平均变化速率的计算方法式(3)中，Tin(t)表示单位时间电池表面平均温度变化量，单位(Cs);Tout(t)表示单位时间电池内部中心温度变化量，单位(Cs)o本文测试中所使用的电池外形型号为21700型，由此可得出此电池外形结构为底面直径为21mm,高度为70mm的正圆柱形,计算得出电池体积Vb等于2.4210-5m3;电池质量大小为66.67go电池比热容数值大小采用LeiSheng等人所提出的测试方法计算得出。2电池热特性测试
6、2.1 电池测试工况设计测试中选用全新的21700型811三元锂离子动力电池作为测试对象，电池标称容量为4.6Ah,标称电压为3.6V。测试中所使用恒温箱型号为H/GDW-225L,其温度均匀度为2。温度数据采集仪为H1OKI-LR8432型，热电偶采用T型热电偶。使用新威CT系列充放电测试柜对电池进行充放电测试，并实现对电池充放电压、电流、容量等参数的实时记录。为了研究不同环境温度工况下电池的放电热特性，如表1中所示，为本文所有测试工况设定量。2.2 电池的破壳测试方案为了研究电池内部温度及产热特征，现对电池进行局部破拆并在其内部中心位置布置热电偶，该操作主要包括以下几个主要步骤：（1）对待
7、测电池在破壳前进行充放电测试，并记录相关测试参数结果；（2）因为在低温环境中，电解液的流动性相对较差，所以在对电池进行破壳前，先将电池置于-2（C恒温箱内3h后再进行破壳操作，确保电解液的泄漏量十分微小；（3）在电池负极底壳处进行破壳操作，在电池内部中心位置布置热电偶，然后迅速密封；（4）在对电池负极底壳处进行破封期间，应注意避开负极处的极耳连接片，破封完成后将热电偶布置到预设位置处，并用真空封泥对电池破封处进行重新密封。2.3 传感器布置图1所示为温度和热流密度传感器布置示图。如图1中（a）图所示，在电池表面沿高度方向上以互成120o角分别在上中下三处位置布置T型热电偶Tcl,Tc2,Tc3
8、；TCin表示插入电池内部中心位置处的T型热电偶，其布置实图如图1中（b）图所示。为了保证热流传感器与电池表面的良好接触，先使用导热银硅脂填充于热流传感器与电池圆周表面之间，再使用聚酰亚胺高温胶带将柔性薄膜式热流传感器固定在电池圆周表面上，其布置实图如图1中（C）图所示；TCin热电偶放置位置为电池内部的1/2高度位置处，将TCin热电偶放置完成后，使用真空封泥对破壳后的电池底面进行重新密封。2.4 电池的隔热处理在恒温箱对箱体内温度进行调节时，箱体内可能会发生结露现象，另外，箱体内风机循环风也会对电池的散热条件也会产生影响，所以在试验过程中需要对电池进行隔热处理。如图2所示，先用导热系数为0
9、.02wmk,厚度为20mm厚的气凝胶毡对电池及充放电接线柱进行初次包裹，再将其放入硬质聚氨酯泡沫塑料箱内，进而起到对电池的二次保温及防潮作用。为对比分析有/无保温隔热措施对测试结果的影响，此处以30环境温度在IC倍率恒流放电工况为例，分别进行了测试对比分析，得到了如图3（a）和图3（b）所示电池表面温度TC1,Tc2,Tc3和电池内部温度TCin的变化曲线。对比结果表明，在有保温隔热措施时，电池表面温度场变化波动更小且变化趋势也更为平稳。例如，通过对比两者在电池表面3处测温点最大温差值可知，电池表面最大温差分别为0.8C和1.4,所以对电池进行保温布置后再进行放电测试可明显减小电池表面温差。
10、而且，这两种工况下电池的最大内外温差分别为3.3和6.4C,这也说明电池进行保温布置后，也可以明显减小放电过程中电池内外的温差梯度。因此，通过上述测试结果，对电池进行保温布置可使电池内外温度场分布更为均匀，温度场变化更为平稳，从而可提高对电池温度变化函数的拟合精度，进而提高对电池放电生热率的计算精度。3测试结果分析3.1 环境温度对电池放电参数的影响调节恒温箱温度分别至表1中所述的-20,-10,0,10,20,30,40,待电池内外温度与环境温度之间相差0.1C,热流密度值波动在lWm2之间时，可认为电池温度与环境温度已保持一致，然后再进行放电。图4所示为电池在各环境温度工况下，以IC倍率恒
11、流放电时，放电电压参数的变化趋势。环境温度对电池放电的影响主要体现在初始放电电压的降低上，如图4所示，尤其是在0以下的低温环境中，环境温度对放电初期电压压降的影响最为明显。这是因为在0时，电池内部的锂离子活性降低，电解液流动性减弱，导致内阻急剧增大，放电过程中产生的热量也随之增大。随着放电的进行，电池内部因生热量的积累使得电池本体温度逐渐升高，电池放电电压出现了明显的回升现象，电压回升的具体详情可见表2中所示。由图4中所示电压变化曲线可以得出，就总体而言，在电池的全放电过程中，放电电压整体平台随着放电环境温度的升高而升高；当变化相同环境温度梯度时，与环境温度大于等于10。C中相比，在低温环境温
12、度区段内温度的变化对放电电压的影响更为明显；环境温度的降低不仅减小了放电电压，而且还缩短电池的放电时长。由于电池的放电工况为恒流放电，因此，随着放电环境温度的降低,其放电容量也随之减少。如图5所示的电池放电能量变化曲线，在低温环境温度区段内，环境温度的降低对电池放电总能量减小的影响较为明显，当环境温度大于等于10时，环境温度的变化对电池总放电能量的影响程度在降低。综合以上对图4和图5的分析结果可以得到，电池最佳放电温度范围在20C40C之间。再分析表2所示低温环境下电池初期放电电压回升阶段各项参数，可以得到如下变化特征:在低温环境中，当环境温度降低相同温度梯度时，环境温度越低对电池在放电初始阶
13、段的压降影响也越为明显，例如，当环境温度由0降至10时，电压压降的最低值由3.7351V减小至3.5342V,减小了0.2009V；而当时环境温度由-I（TC降至-20时，电压压降的最低值由3.5342V减小至3.0580V,减小了0.4762V,与环境温度由0降至-I（TC时相比，放电电压压降的减小值增大了约237.0%。另外，由放电电压压降过程结束并开始回升的相对时间参数可以得到，当环境温度由0分别降低至-I（TC和-20C时，放电电压回升的相对时间分别从139s提前至82s和62s,分别缩短了约41.0%和55.4%的电压回升触发时间，放电电压回升触发时间的缩短可表明，环境温度的降低进一
14、步增大了电池内阻，进而增大了电池的生热速率。分析放电电压回升阶段总时长可以得到，当环境温度由分别降低至-I（TC和-20后，回升总时长分别增加了2.53倍和3.96倍，所以在低温环境中，在电动汽车启动前应对电池进行预加热处理；在不配有预加热管理系统的电动汽车中，电动汽车在启动运行阶段应避免进行急加速、爬坡等高功率电能输出动作。3.2 环境温度对电池生热率的影响根据温度和热流密度的测试结果，再联合运用式（1）、式（2）和式（3）所提供的计算方法，可以得到图6中所示的电池的生热率变化曲线图。分析图6中电池在不同环境温度下进行IC倍率恒流放电时的生热率,在低温环境中放电时,电池放电生热率较高，并随着
15、放电环境温度的升高，电池的放电总生热率逐渐减小，当环境温度为30时，放电过程中电池的生热率达到最小值。在各环境温度工况放电测试过程中，在放电初期，电池放电生热率相差较为明显，最大差值到达约3.73W；当放电进入中期阶段时，放电生热率变化较为平稳，且在此放电阶段内，各环境温度工况下的电池放电生热率均达到最小值。通过对比分析各环境温度工况下电池的放电生热率可以得到，在环境温度为-20C时，在电池放电全过程中，电池各放电时刻生热率均为最大值，由能量守恒可推算得到，在本文所列出的各放电环境温度工况中，当放电环境温度为-20时，电池内部化学能转化为输出电能的效率最低，与之相对，在环境温度为30中进行放电
16、时，电池内部化学能转化为输出电能的效率达到最高。从能量利用率角度可分析得到，在放电环境温度为10C40C之间时，电池中输出电能的转化效率较高，由此分析所得到的最适放电温度范围与前述依据电参数分析所得到的最适放电温度范围大致相同。3.3 环境温度对电池散热率的影响图7所示为环境温度变化对电池表面散热率的影响，分析图7可知，在放电过程中，电池表面散热率数值均大于0,由此可得到，在放电过程中，电池的热特性表现为对外散热；通过对比不同环境温度下电池表面散热率变化曲线可得到，在电池放电初期和放电末期时段内，电池表面散热率变化较快，而在放电的中期阶段，电池表面散热率变化表现较为平稳；电池在低温环境(0以下)中放电测试时，电池表面散热率均明显高于其他环境温度下电池表面散热率数值。其中在放电环境为-20C时，在放电初期，如图
