賈丙碩 許冀陽 孟 妮 茍琦智

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

純電動汽車的動力來源為動力電池，安全可靠的電池技術(shù)可以為電動汽車的安全行駛提供有力保障。電池在使用過程中發(fā)生內(nèi)短路會使其內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)急劇上升，出現(xiàn)熱失控或起火爆炸等相關(guān)問題，鋰電池內(nèi)短路已成為制約電動汽車快速普及的關(guān)鍵因素。對鋰電池內(nèi)短路特性進行研究并使用合理手段進行短路抑制成為愈發(fā)重要的工作；同時建立一套切實可行的鋰電池內(nèi)部溫度監(jiān)測方法也變得至關(guān)重要。在對鋰電池內(nèi)短路特性研究中，各國學(xué)者逐漸積累了大量經(jīng)驗和方法。

1 鋰電池基礎(chǔ)與常見故障分析

1.1 鋰電池工作原理

鋰離子電池內(nèi)部由正、負電極電解質(zhì)以及隔膜組成，其中磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等為最常見的正極材料，負極一般是石墨結(jié)構(gòu)類似的碳[1]；具有優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)電性的鋰離子化合物有機溶液構(gòu)成了電解質(zhì)，隔膜實現(xiàn)正負極的分隔從而避免短路問題的發(fā)生[2]，圖1 為鋰電池基本結(jié)構(gòu)與工作原理。

圖1 鋰電池基本結(jié)構(gòu)與工作原理

鋰電池充放電實際就是在不斷發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程，具體充放電過程可以表示為：鋰電池正電極在放電時得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，充電時失去電子進行氧化反應(yīng)；負電極在放電時失電子進行氧化反應(yīng)，充電時得電子進行還原反應(yīng)。關(guān)系式如下：

正電極：

負電極：

總反應(yīng)式如下所示：

式中：LiMOy表示常用的鋰金屬的氧化物。

1.2 鋰電池相關(guān)性能參數(shù)

為了便于評價鋰電池的性能，人們通常使用一些參數(shù)對鋰電池性能加以描述，其中電池電壓、內(nèi)阻、容量、溫度以及電池荷電狀態(tài)等參數(shù)最為常用

1）電池電壓

為了方便研究，人們通常使用電池工作電壓、開路電壓以及截止電壓對電池電壓進行描述。電池工作電壓用來描述當電池正常工作時兩電極之間的電勢差大小；電池開路電壓表示當電池長期放置后兩電極之間的電勢差幾乎不再發(fā)生變化時的電壓，一般開路電壓大于電池工作電壓，開路電壓與電池SOC 有關(guān)。截止電壓表示當電池充放電時的最高或最低電壓，當電池充放電時達到截止電壓，電池兩端電壓便不會繼續(xù)上升或下降。

2）電池內(nèi)阻

由于電池內(nèi)部存在電極材料、電解液等，復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造使得電池存在一定內(nèi)阻，電池內(nèi)阻與溫度、內(nèi)部構(gòu)造等因素有關(guān)[3]。

3）容量

將電池釋放所有電能的量來描述電池容量，電池容量受環(huán)境溫度、放電倍率等因素影響。

4）溫度

環(huán)境溫度、表面溫度以及內(nèi)部溫度對電池性能都會產(chǎn)生影響。

5）荷電狀態(tài)（SOC）

電池剩余容量的多少用荷電狀態(tài)SOC 來表示。

1.3 鋰電池充放電特性

鋰電池在頻繁的充放電過程中會出現(xiàn)以下問題：

1）不均衡性

鋰電池在充放電過程中會出現(xiàn)電池不均衡特性，即由于單體電池差異性的原因?qū)е掠行﹩误w電池會出現(xiàn)過充電或過放電的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池變形或者泄露，存在爆炸的隱患。

2）電池老化

隨著充放電次數(shù)的增加，電池會逐漸出現(xiàn)內(nèi)阻增加、容量降低的現(xiàn)象，即出現(xiàn)電池老化的問題。研究發(fā)現(xiàn)電池過充或過放電、使用環(huán)境對電池使用壽命存在較大影響。

3）極化現(xiàn)象

鋰電池的極化表現(xiàn)為鋰電池由于充放電使得電池內(nèi)部鋰離子濃度在短時間內(nèi)出現(xiàn)分布嚴重不均衡的現(xiàn)象[4]。研究表明鋰電池充放電的電流大小、充放電溫度以及電池內(nèi)部的活性物質(zhì)濃度對鋰電池的極化都會產(chǎn)生極大影響。

4）自放電問題

鋰電池在存放過程中會出現(xiàn)自放電的現(xiàn)象，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加、存放時間的增加等，電池自放電量會逐漸增加[5]。此外電池電極的粒子大小以及電極表面積大小也會對電池自放電產(chǎn)生明顯影響。

2 鋰電池內(nèi)短路特性

2.1 內(nèi)短路電壓特性

鋰電池發(fā)生內(nèi)短路現(xiàn)象時短路電阻主要取決于兩個電極的導(dǎo)電材料以及接觸電阻，因此通過計算可以得到短路電阻：

圖2 內(nèi)、外短路端電壓差異性對比

由上圖可知隨著短路半徑的增加，相同阻值下的內(nèi)外短路電壓差異性越大，因此小短路半徑的情況下內(nèi)外短路電壓差異較為相似。

2.2 內(nèi)短路溫升特性

當鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時其內(nèi)部的溫度變化可以表示為：

式中：Cp表示電池的比熱容；m 表示電池質(zhì)量大?。籕j表示電池內(nèi)部產(chǎn)熱量大?。籄 表示電池表面積大??；H 表示換熱系數(shù)；Ts-Ta表示電池表面與環(huán)境的溫差。此外電池內(nèi)部產(chǎn)熱大小Qj可以表示為Qj=對于發(fā)生故障的電池其內(nèi)部產(chǎn)熱大小可以表示為

式中：Qi表示由于內(nèi)短路產(chǎn)生的熱值。鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時電池內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)會急劇升高，因此對內(nèi)部溫度進行合理監(jiān)控能夠有效判斷內(nèi)短路與否。

2.3 內(nèi)短路造成的熱失控特性

依據(jù)經(jīng)驗可知鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時會造成局部熱量迅速升高，因此研究電池熱失控過程中電池產(chǎn)熱功率以及功率密度至關(guān)重要[6]，在一系列的短路半徑上面施加5×109W/m3的功率，我們可以得到如圖3 所示的熱失控觸發(fā)時間與發(fā)熱半徑之間的關(guān)系。

圖3 熱失控觸發(fā)時間與發(fā)熱半徑之間的關(guān)系

由圖可知在一定的發(fā)熱功率密度下，熱失控觸發(fā)的時間隨著發(fā)熱半徑的增大而降低，換言之，當發(fā)熱半徑小到一定程度時將不再觸發(fā)熱失控。因此大幅度地降低接觸面積可以有效地避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3 熱電耦合模型

3.1 電池SOC 模型

利用安培積分法，在電池充放電過程中實時對充放電電流進行監(jiān)測，然后對該段充放電時間積分便可得到該時段內(nèi)的充電或放電量，具體的表達式為：

3.2 電池內(nèi)部溫度估計

計算電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率大小以及焦耳熱，其中焦耳熱大小計算式如下所示：

式中：R0和Rd表示電池的內(nèi)阻參數(shù)。

另外依據(jù)鋰電池的表面積大小A、對流換熱系數(shù)H 以及電池表面Ts與環(huán)境Ta的溫差大小可以計算出鋰電池與環(huán)境之間進行的熱交換Qe大小，具體如下：

依據(jù)電池集總參數(shù)熱模型我們可以得到電池當前與上一時刻二者之間的溫度關(guān)系，具體如下所示：

式中：Cp表示電池比熱容大??；m 代表電池質(zhì)量。電池集總參數(shù)熱模型如圖4 所示。

圖4 電池集總參數(shù)熱模型

3.3 單體電池及電池組熱電耦合模型

利用能夠充分反映電池極化特點的二階RC 等效電路模型對鋰電池外特性進行模擬，電池溫度值可以依據(jù)熱模型獲得。將得到的溫度值傳遞到等效電路模型以此來獲得最優(yōu)的二階RC 參數(shù)以及電池端電壓和電動勢，然后再利用此時的參數(shù)代入生熱公式計算電池產(chǎn)熱量，最后通過電池熱模型計算當前時刻的電池溫度，此時就完成了單體電池與等效電路熱電模型的耦合。單體電池模型耦合過程如圖5所示。

圖5 單體電池熱電耦合模型過程

分析相鄰單體電池之間的熱量傳遞與交換方式以及電池熱量散失，主要分為1）熱傳導(dǎo)，即電池熱量經(jīng)導(dǎo)熱裝置傳遞到冷卻裝置，最終散失；2）各個單體電池間的熱量傳遞；3）電池與殼體之間的熱量交換。因此電池模組的熱電耦合模型可以表示為：

式中：Q 表示電池產(chǎn)生的熱量大??；Qc表示單體電池間熱量傳遞的大小；Tf表示冷卻介質(zhì)溫度；Ts，j表示電池溫度；Ta表示環(huán)境溫度；hl為對流換熱系數(shù)；h 表示電池殼體與外界換熱系數(shù)；Aa與Ab分別表示電池與外界空氣及冷卻液的換熱面積；Ml表示冷卻液質(zhì)量。

將等效電路模型參數(shù)代入電池熱模型得到電池生熱量大小，然后通過計算得到單體電池溫度，按此結(jié)果查取等效電路模型參數(shù)來完成耦合，得到電池組熱電耦合模型，以此計算電池溫度。

4 結(jié)論

電動汽車鋰電池內(nèi)短路問題成為亟待解決的問題，如何對電池內(nèi)部溫度及熱失控進行精準計算是研究電池內(nèi)短路問題的重中之重。本文從鋰離子電池單體和電池模組入手，分析電池內(nèi)短路機理，基于電池內(nèi)短路時溫度的異常變化數(shù)據(jù)，建立電池內(nèi)部溫度監(jiān)測熱電耦合模型，從而對電池內(nèi)部溫度進行實時監(jiān)測，防止內(nèi)短路現(xiàn)象的發(fā)生。