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        高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池?zé)崽匦?/h1>
        2021-06-03 06:13:16王延寧嚴(yán)其艷席海亮
        電源技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:冷板鈦酸表面溫度

        王延寧 ,嚴(yán)其艷 ,席海亮

        (1.廣東科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,廣東東莞5 230832;蘭州工業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院,甘肅蘭州 730050)

        鋰離子電池是目前我國應(yīng)用最廣泛的化學(xué)電源,鋰離子電池具有使用壽命長,對環(huán)境污染較小等優(yōu)點[1]。隨著鋰電池技術(shù)發(fā)展,不同正極材料的鋰離子電池(鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、高鎳)被研發(fā)出來,且已廣泛應(yīng)用。

        鈦酸鋰電池是一種新型的鋰離子電池,其負(fù)極是鈦酸鋰。與傳統(tǒng)鋰離子電池相比,鈦酸鋰電池循環(huán)壽命更長,充電倍率更高。越來越多的專家學(xué)者們致力于將鈦酸鋰電池應(yīng)用于電動汽車和電力儲能行業(yè)的研究[2-3]。

        鈦酸鋰電池雖然具備高倍率充放電特點,但在高溫下,高倍率充放電也會產(chǎn)生大量熱[4]。如果熱量在密閉或狹小空間中無法釋放時,仍然會產(chǎn)生熱失控甚至爆炸等危險。

        鈦酸鋰電池過量發(fā)熱會導(dǎo)致電池變形,也會使壽命降低。因此需要研究高溫條件下,脈沖充電放電工況下鈦酸鋰電池?zé)嵝袨?。根?jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù),對其生熱機(jī)理、產(chǎn)熱功率進(jìn)行定性定量研究。

        文獻(xiàn)[5]借助COMSOL Multiphysics 數(shù)值模擬軟件,研究不同工況下鋰離子電池的溫度分布并進(jìn)行熱行為分析,并得出鋰離子電池溫度分布主要受加熱溫度和對流傳熱系數(shù)的影響,并且電池溫度達(dá)到126.85 ℃以上時,會引發(fā)內(nèi)部的副反應(yīng)發(fā)生,造成熱失控,損壞電池。文獻(xiàn)[6]對脈沖放電過程中鋰離子電池的熱行為進(jìn)行分析,采用加速量熱儀與電池充放電循環(huán)儀,實時測量溫度曲線和電壓曲線。在脈沖過程及之后靜置時間內(nèi),電壓呈現(xiàn)先急劇下降再增加的變化。電池溫度因脈沖的存在高于正常放電過程的溫度,溫升速率曲線在脈沖瞬間也急劇增大,但隨著電池內(nèi)部溫度的增加,脈沖電流對溫度、溫升速率的影響減弱。因傳熱滯后,在脈沖瞬間電池溫度并沒有表現(xiàn)出明顯的快速上升現(xiàn)象。

        在此基礎(chǔ)上,對高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池?zé)崽匦赃M(jìn)行實驗研究,為鈦酸鋰電池的安全使用提供參考。

        1 實驗

        為研究不同脈沖電流下鈦酸鋰電池?zé)崽匦裕疚膶嶒灧謨刹糠?,第一階段在恒溫箱中進(jìn)行60 ℃恒溫條件下充放電實驗,測試電池在不同條件下工作時的溫度、容量、電壓變化情況;在分析了單體電池在充放電過程中的表面溫度分布情況之后,研究不同充放電倍率、不同環(huán)境溫度、不同荷電狀態(tài)對電池?zé)崽匦援a(chǎn)生的影響,探討電池?zé)崽匦宰兓?guī)律;第二階段,在密閉絕熱環(huán)境下進(jìn)行充放電實驗,研究電池在該條件下的熱特性與安全性[7-8]。

        1.1 實驗儀器與實驗對象

        瑞士Systag 公司Calo2310 型號加速量熱儀;智能型ZLD電池充放電循環(huán)測試儀;1 Ah 軟包鈦酸鋰電池,工作電壓范圍為1.5~2.8 V;鋁合金水冷板2 個,功率分別為5 和25 W。上海麥捷公司的GDWS-50 型號恒溫箱。

        1.2 實驗方法

        實驗在恒溫箱中進(jìn)行。用尼龍繩將電池與熱防護(hù)筒組成的試件懸掛在恒溫箱中,熱防護(hù)筒和電池上粘貼加熱片和測溫電偶來加熱和控制溫度。測溫?zé)犭娕季€與溫度跟蹤熱電偶線引到熱防護(hù)筒外。電池和防護(hù)筒上所有的加熱器引線、熱電偶引線、溫度跟蹤熱電偶引線、電池充放電電纜及電壓測量線等都經(jīng)由恒溫箱密封插頭引至箱外[9-10]。在熱防護(hù)筒及電池單體的對應(yīng)位置粘貼測溫?zé)犭娕?,保證實驗前防護(hù)筒與電池單體溫度相同,為電池單體提供一個絕熱的環(huán)境。在電池表面上均勻布置10 個熱電偶,分別在電極兩端各一個、電池兩側(cè)各一個、底部一個以及正表面均勻布置五個,共10 個溫度測試點[11-12]。試件與實驗設(shè)備的示意圖如圖1 所示。

        圖1 試件與實驗設(shè)備的示意圖

        設(shè)置每次的放電時間為1 h,分別記錄0.3C、0.6C、1.0C充放電鋰電池的各個數(shù)據(jù)。

        采用恒流充電,充電結(jié)束后擱置1 h,當(dāng)電池溫度降低,與環(huán)境溫度相同時對電池以特定脈寬的脈沖電流,放電到1.6 V 時停止放電,結(jié)束后再擱置1 h。1 Ah 的鈦酸鋰電池高溫脈沖工況設(shè)計見表1。

        表1 實驗工況表

        1.3 實驗結(jié)果

        1.3.1 單體電池絕熱條件熱特性實驗

        電池單體進(jìn)行1C倍率充放電時,電池表面溫度不同測點隨充放電時間的變化曲線如圖2 所示。

        從圖2 中可以看出,充電時,電池溫度隨著放電時間先上升后下降,主要是因為電池充電時先恒流充電后恒壓充電,在3 500 s 的時候電池轉(zhuǎn)為恒壓充電,電流減小,所以發(fā)熱量下降;剛開始充放電時,電池表面各測溫點的溫差幾乎為零,隨著充放電時間的增加,電池表面溫差越來越大;在1C充放電條件下,不同測點間最大溫差為2 ℃,所以單體電池表面在工作過程中的溫差都很??;不管是充電還是放電,中心點(209)溫度最高,最接近電池內(nèi)部溫度,接下來給出的實驗數(shù)據(jù)是中心點(209)溫度,代表電池溫度。

        圖2 1 C倍率充放電時電池表面溫度(不同測點)變化

        為了測試絕熱時鈦酸鋰電池的溫度變化,使用聚苯乙烯泡沫塑料作為隔熱體實現(xiàn)絕熱檢測。觀察在不同放電倍率情況下放電末期電池中心點(209)溫度,分別達(dá)到77、78 和79 ℃,溫升分別為9、10 和11 ℃(如圖3 所示)。從圖3 實驗結(jié)果可以看出,電池充放電倍率越大,最高溫度值越大且電池的溫度場的均勻性越差,造成這種現(xiàn)象的主要原因是放電電流的增大使電池產(chǎn)生的熱量增多,同時電池放電時間縮短,造成了電池內(nèi)部熱量不能及時擴(kuò)散出去。若不采取散熱等措施,會造成熱累積,當(dāng)熱量累積到一定量將導(dǎo)致熱失控及安全事故的發(fā)生[13-14]。

        圖3 絕熱條件下不同倍率放電時電池表面溫度變化

        1.3.2 單體電池散熱方式實驗

        對流換熱條件是影響電池傳熱的重要因素,將電池先后置于自然對流和強(qiáng)制對流環(huán)境中進(jìn)行測試。在上述實驗環(huán)境下,參照自然環(huán)境空氣流動速度,選擇工作效率為5 W/(m2·K)的鋁合金水冷板,放入恒溫箱內(nèi)模擬自然對流條件;強(qiáng)制空氣對流冷卻條件選擇25 W/(m2·K)的鋁合金水冷板放入恒溫箱內(nèi)模擬強(qiáng)制空氣對流條件。將二者數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,兩種冷卻條件下的電池表面溫度數(shù)據(jù)見表2。

        從表2 可以看出,強(qiáng)制對流比自然對流在降溫速度上更快,可在相同時間內(nèi)把電池表面溫度降至更低些。放電倍率為0.3C、0.6C與1C情況下,自然冷卻下,放電末期電池表面溫度分別達(dá)到72.8、75.1 和77.5 ℃,溫升分別為4.7、7.1 和9.0 ℃;強(qiáng)制空氣對流冷卻下,放電末期電池表面溫度分別達(dá)到70.5、71.5 和73.2 ℃,溫升分別為2.4、3.4 和5.1 ℃。

        表2 電池表面溫度波動效果 ℃

        鈦酸鋰電池充電過程有可能出現(xiàn)脹氣,脹氣會導(dǎo)致電池由內(nèi)向外散熱條件變差,這會對電池性能與壽命產(chǎn)生不利影響。所以,使用鈦酸鋰電池時,往往采用冷板散熱。冷板夾置在單體電池之間,一方面利用冷板上的金屬導(dǎo)熱條將電池?zé)崃總魉椭恋装?,另一方面冷板可以對電池殼體或包裝約束壓緊,一定程度上減小氣脹變形。傳導(dǎo)至底板的熱量將會被對流的空氣帶走[15]。

        圖4 為冷板散熱不同放電倍率放電時電池溫度變化曲線。

        圖4 冷板散熱條件下不同倍率放電時電池溫度變化

        從圖4 可以看出,在冷板散熱條件下,放電倍率為0.3C、0.6C與1C時,放電末期,電池表面溫度分別達(dá)到72.5、72.8和73 ℃,溫升分別為2.5、2.8 與3 ℃。通過實驗結(jié)果可以看出冷板散熱方式對鈦酸鋰電池的冷卻效果與強(qiáng)制對流冷卻方式對鈦酸鋰電池的冷卻效果基本相同。

        2 結(jié)論

        本文通過實驗研究了高溫脈沖工況下鈦酸鋰電池?zé)嵝袨?。實驗結(jié)果表明:

        (1)電池表面溫度隨著充放電電流的增大而增大,但電池表面不同測點之間的溫差變化較?。?/p>

        (2)電池單體在進(jìn)行1C倍率充放電時,充電400 s 的溫度達(dá)到峰值,放電3 000 s 的溫度上升速率加快;

        (3)在相同放電條件下,放電倍率越大,溫度上升越快,且溫度峰值越高;

        (4)放電時,相同放電倍率下,自然對流環(huán)境下電池溫度比強(qiáng)制對流環(huán)境下電池溫度至少高0.2 ℃,最高可達(dá)4.3 ℃,且溫差隨放電時間的增長而加大;

        (5)在冷板散熱條件下,相同放電倍率的電池溫度峰值均有不同程度的下降。

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