详解三元软包锂离子动力电池热特性测量及应用

   锂离子电池的极化内阻是不可逆热测试的关键参数。为了更准确地计算极化内阻，针对三元软包锂离子动力电池，进行了HPPC测试、熵热系数测试、充放电温升测试，采用两种方法对极化内阻进行了计算，一种是通过电压变化量除以电流得到，另一种是通过建立二阶RC模型，结合HPPC测试工况辨识得到。根据两种方法得到的极化内阻，结合Bernardi生热速率模型公式对电池进行了1C充电和0.5C、1C、2C放电下的温度场仿真，并与红外热成像仪记录到的温度分布进行了对比。结果表明：根据二阶RC模型得到的极化内阻进行的仿真与实验数据吻合较好，说明利用二阶RC模型得到的极化内阻更加适用于电池持续充放电过程中的热分析。模型很好地模拟了电池不同充放电倍率下的温度场信息，对电池热分析及热管理可起到指导作用。 
1 锂离子电池生热原理

 

2  动力电池热特性实验

 

2.1  研究对象

       本课题所研究的电池为36 A·h三元软包锂离子动力电池，正极材料为Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2，负极材料为石墨，最大连续放电电流为2C(72 A)。

 

图1  锂离子电池单体

表1  锂离子动力电池规格参数表

参数

规格

正极极耳材料

Al

负极极耳材料

Cu

电芯尺寸(长×宽×厚)/mm

227×162×8

正极极耳(长×宽×厚)/mm

50×15×0.5

负极极耳(长×宽×厚)/mm

45×15×0.3

重量/g

609

标称电压/V

3.7

充电截止电压/V

4.2

放电截止电压/V

2.75

额定容量/A·h

36

2.2  动力电池HPPC测试

 对锂离子电池内阻的测试，采用美国《Freedom CAR电池测试手册》中的HPPC测试方法。

 

图2  HPPC脉冲电流/电压曲线

2.3  熵热系数测试

       对熵热系数(dE/dT)的测试，是通过在不同温度和不同荷电状态下测试开路电压得到。

 

图3  熵热系数随SOC的变化曲线

2.4  充放电温升测试

3  二阶RC模型

 

3.1  电池等效电路模型的建立

       本文所采用的电池模型为二阶RC模型，大量研究表明，二阶模型相比一阶模型具有更好的精度，与三阶模型相比，计算量更小且误差相差不大，能够较准确地模拟电池的各种特性。

3.3  模型验证

 

4  锂离子单体电池生热仿真

 

4.1  热模型基本理论

4.2  电池计算模型的建立

 

（a）电池几何模型

 

（b）电池单体网格

4.3  电池热物性参数的确定

4.4  电池热载荷和定解条件

4.5  仿真结果分析

 

       根据二阶RC模型和HPPC测试的方法得到了电池的极化内阻，利用BERNARDI模型公式求得电池的生热率，并在此基础上进行了温度场仿真，所得结果与实验数据进行了对比，得出以下结论：

（1）锂离子电池在持续充放电过程中极化达到了最大，利用HPPC测试计算得到的极化内阻仅适用于脉冲工况，而利用二阶RC模型辨识得到的极化内阻更加适用于持续充电和放电下电池的热    分析。

（2）根据二阶RC模型得到的极化内阻进行的仿真与实验数据更加接近，随着充放电倍率的增大，电池温度梯度增大，几乎呈线性升高。同一充放电倍率下，电池的放电温升要大于充电温升，随着充放电倍率的增加，电池的最大温升和温差均增大。