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    等溫量熱儀用于鋰電池充放電產熱行為研究

    • 發布時間:2022-07-14
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    一、摘要

    本文利用BIC-400A電池等溫量熱儀測量鋰離子電池充放電過程中產熱行為,并研究了不同正極材料、工作溫度和充放電倍率對電池產熱量和產熱速率的影響。所獲得數據與結論可作為電池熱管理設計的重要參考。




    二、前言


    鋰離子電池安全性和性能保持是目前行業和用戶最關心的兩大主題。電池工作溫度是影響鋰電池性能與安全的關鍵因素,例如,低溫下內阻增大,電池容量下降,極端條件下電解液甚至發生凍結導致無法放電;高溫下同樣會引起電池性能下降,同時可能致使電池發生熱失控,引起電池燃燒甚至爆炸[1]。

    因此,電池熱管理系統(BTMS)是電池管理系統(BMS)的核心功能,可通過導熱介質、測控單元以及溫控設備構成閉環調節系統,使電池始終工作在合適的溫度范圍內。對于優秀的BTMS,其設計與優化離不開電池充放電產熱等基礎數據的支撐。

    鋰電池充放電總熱量(Qt)主要包括以下分量:1.電極反應焓變(Qr);2.極化熱(電極極化與濃差極化)(Qp);3.不可逆副反應熱(Qs);4.焦耳熱(QJ)。其中1為可逆分量,2-4為不可逆分量[2]。

    本文選取典型鋰電池樣品,通過等溫量熱儀研究了不同材料體系、不同溫度和不同充放電倍率下的電池吸放熱行為。


    三、實驗部分

    1. 樣品準備

    電池樣品:NCR(2600mAh)、NCM(3200mAh)、ICR(2600mAh)、LFR(1100mAh)四種18650電池、LPF方形電池(35Ah)、NCM軟包電池(50Ah)。

    2. 實驗條件

    實驗儀器:杭州仰儀科技有限公司BIC-400A等溫量熱儀、電池充放電設備;

    實驗模式:等溫量熱模式;

    實驗方法:恒流恒壓充電、恒流放電;

    等溫目標溫度與熱沉間溫差:3℃;

    記錄頻率:1Hz;

    加熱器通道:2路;

    傳感器通道:2路。

    3. 實驗過程

    (1) 不同正極材料影響:電池連接導線后置于18650電池專用夾具中,設定樣品溫度為22℃,以1C倍率進行恒流放電及恒壓恒流充電實驗,充放電過程中儀器檢測電池吸放熱功率變化。

    (2) 工作溫度影響:35Ah LPF方形電池連接導線后置于專用夾具中,分別設定樣品溫度為12℃、22℃和32℃,并以1C倍率進行實驗。

    (3) 充放電倍率影響:50Ah NCM軟包電池連接導線后置于專用夾具中,設定樣品溫度為22℃,并分別以0.2C、1C倍率進行實驗。




    四、實驗結果

    1. 不同正極材料電池充放電產熱功率


    圖1 不同正極材料18650電池(a)充電與(b)放電過程產熱功率變化


    表1 不同正極材料18650電池充放電產熱



    如圖1a所示[3],充電過程LFR電池的產熱功率最低,而ICR的產熱功率最大。同時充電至截止電壓后,產熱功率會隨充電電流迅速下降;而放電過程(圖1b)四種電池產熱功率單調上升,這是因為在放電過程中電池內阻逐漸增大。同時四種電池的產熱功率與產熱量大小順序與充電過程一致。上述結果符合四種電池的容量與正極材料熱穩定性特征。

    2. 不同溫度下電池充放電產熱功率

    不同溫度下方形電池的充放電產熱數據如圖2所示。在較低的12℃下,電池充放電產熱功率最大。而在32℃下,電池產熱功率和產熱量最小,說明適宜的工作溫度可以明顯降低電池充放電產熱;另外,32℃下充電起始階段電池出現了一個明顯的吸熱峰,電極反應熱表現更為顯著,可逆熱在總放熱量中的占比提高。



    圖2 不同溫度下35Ah的LFP方形電池(a)充電與(b)放電過程產熱功率與產熱量變化


    3. 不同充放電倍率電池充放電產熱功率

    最后,利用50Ah軟包電池研究了倍率的影響。如圖3a所示,在0.2C倍率下,充放電曲線都存在吸熱區間,且兩條曲線具有明顯的對稱性,說明此時電池產熱以電極反應熱為主,可逆熱占比很高;而在1C倍率下,充放電產熱充放電曲線對稱性減弱,且未出現明顯的吸熱峰。這是由于在提高充放電倍率情況下,可逆反應熱基本保持不變,但極化熱和焦耳熱等不可逆熱顯著提高。



    圖3 (a)0.2C和(b)1C充放電倍率下充電與放電曲線對比


    五、實驗結論

    利用BIC-400A等溫量熱儀可以準確測量不同工況下電池充放電產熱功率與產熱量變化,幫助研發人員深入理解和研究電池充放電產熱機理與特征, 并為電池熱管理提供重要支撐性數據。


    參考文獻

    [1] 王峰,李茂德.電池熱效應分析[J].電源技術,2010,34(3):288-291.

    [2] Noboru Sato. [J]. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles. Journal of Power Sources, 99 (2001):70-77.

    [3] 李慧芳,黃家劍,李飛,高俊奎.鋰離子電池在充放電過程中的產熱研究[J].電源技術,2015,39(07):1390-1393+1481.

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