文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123204
大容量锂离子动力电池热特性的实验研究
任保福,贾力,张竹茜,谭泽涛
(北京交通大学机电学院热能工程研究所,北京 100044)
Tel:010-51684321,Email:******@bjtu.
摘要:热安全性制约了大容量锂离子动力电池的推广,了解大容量锂离子电池工作中的热特性对于解决其安全性具有重要的意义。本文通过实验研究了单体大容量锂离子动力电池在不同工况下的热特性,并且测量了工作中电池的内阻和熵变,进而从电池发热机理的角度分析讨论不同因素如何引起电池热特性发生变化。研究发现,充放电倍率和环境温度是通过影响电池内阻和熵变来改变电池的热特性。
关键词:锂离子动力电池;热特性;内阻
0 前言
随着能源危机加剧和环境污染、全球气温问题日益突出,加强绿色能源的发展逐渐成为必然趋势。汽车作为人们出行的重要交通工具,虽然它方便了人们的出行,但是它也对我们生存的环境造成了极大的污染。锂离子电池因其良好的化学性能,很快成为人们研究的热点[1-2]。
正常工作条件下,锂离子电池内部产生的热量主要是由两大部分组成[3]:电流流过电池内部时电池内阻产生的热量和电池工作过程中因发生化学反应而产生的热量。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻。电池内阻在整个电池的充放电过程中产生的热量始终都为正值。电池内部发生的化学反应既可能是吸热反应,也可能是放热反应。Kazuo Onda[4]等人分别使用伏安特性曲线法、开路电压和工作电压差值法、间歇充放电法和交流阻抗法测量电池内阻,并且对这几种方法进行了比较。[5]等人通过实验得到电池的内阻受环境温度和电池荷电状态的影响较大,分别针对圆柱电池和棱柱电池,提出一个二维电池发热模型和一个三维电池发热模型,研究电池的温度场。Mao-Sung Wu[6]等人利用均匀内热源模型模拟电池在不同换热条件下电池发热情况。Christophe Forgez[7]等人利用在电池内部嵌入热电偶来测量电池的内部温度变化情况,并且把测量结果同用简单内热源模型模拟的结果进行比较。Shin-Chih Chen[8]等人建立了一个详细的二维发热模型用来模拟电池充放电过程中的温度场,模拟结果表明,电池的最高温度点并不出现在电池的中心,而是在靠近中心的圆环区域;电池表面和电池内部有较大温差,因此并不能把电池表面温度作为评价电池安全性的唯一指标。
锂离子电池虽然以其循环寿命长、能量密度大、放电电压高等优点而有着广阔的应
基金项目:国家自然科学基金();中央高校基本科研业务费专项资金资()
用前景,但是在过充、过放等滥用条件下出现的热失控现象极易引起安全性问题,而这是制约大容量锂离子动力电池推广的主要因素。
本文实验研究了充放电倍率和环境温度如何影响单体大容量锂离子动力电池热特性,并且通过实验测量了工作中电池的内阻变化规律,从电池发热机理的角度分析讨论不同因素如何引起电池热特性发生变化。研究结果表明反应热是电池发热机理的重要组成部分。
1 实验
本文实验研究了不同充放电倍率和不同环境温度对电池热特性的影响,以及电池的熵变在整个充放电过程中的变化规律。实验中使用的电池为10Ah的圆柱形锂离子动力电池。图1是常温下单体大容量锂离子动力电池充放电实验系统图。系统主要包括单体电池充放电设备,单体大容量锂离子动力电池,K型热电偶,两根材质相同的康铜丝,恒温箱,内阻仪,数据采集仪,计算机。对常温下单体LiFePO4动力电池进行充放电实验时,系统不含恒温箱;对不同环境温度下单体电池进行充放电实验,以及测量电池的熵变时,需把电池放在恒温箱中。
图1 常温下试验系统示意图
实验方法
常温实验
首先对电池采用先恒流后恒压的充电方式进行充电,、、1C、,;当电池温度降为环境温度时,然后对电池采用恒流放电方式进行放电,、1C、、2C设定,放电截止电压为2V。在充放电过程
中记录电池的电压、电流、容量和表面温度的变化情况。常温条件下利用混合脉冲功率特性阶跃法[4]测量工作中电池的内阻。
不同温度条件下实验
用恒温箱控制环境温度分别在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃,分别对电池采用1C(10A)充电倍率充电,;当电池温度降为环境温度时,对电池以1C(10A)放电倍率放电,放电截止电压为2V。在充放电过程中记录电池的端电压、电流、容量和表面温度的变化规律。不同环境温度下利用混合脉冲功率特性阶跃法[4]测量工作中电池的内阻。
熵变