一種新型的鋰電池發熱量測試方法及發熱特性分析

劉永新，唐傳耕，喬學榮

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.西安電子科技大學機電工程學院，陜西西安 710071)

伴隨著新能源領域的不斷發展[1]，鋰電池憑借其體積小、能量高、循環壽命長等優點成為目前電動產品主要動力源之一[2]。但產品的性能不斷提升對電池提出更為嚴苛的要求。溫度過高會引發電池燃燒、爆炸等火災事故，因此需要進行電池熱管理研究，采取一定措施將電池溫度控制在安全范圍內[3]。目前最常見的手段為使用絕熱量熱儀(ARC)設備進行發熱量測試[4]。劉恒偉等[5]利用ARC 設備提供絕熱環境，研究了三元軟包鋰離子動力電池在不同倍率充放電時的發熱行為。除此之外，研究人員也提出了其他的測試方案以及發熱量相關研究。石磊等[6]通過對放電過程中電池電壓、容量等數據進行采集與計算，建立了鋰電池發熱功率的計算方法。無需引入熱測試系統，只需測試電池單體的電性能參數即可計算其發熱功率。盤朝奉等[7]進行不同溫度下的內阻實驗，采用密集的溫度區間進行實驗，探究不同溫度對電池內阻的影響，驗證了電池內阻隨溫度變化的規律，建立了一個準確的電池發熱模型。

本文主要進行了電池發熱量測試，通過換熱設備，將電池發熱量轉移至冷卻工質中，測得進出口冷卻工質的溫差，通過相關公式的計算即可獲得發熱量，有效解決了電池在大倍率放電下溫度過高而存在安全隱患以及熱量追蹤不及時等問題。

1 基本原理

1.1 電池產熱原理

基于熱力學角度，通過傅里葉定律與集總參數法來模擬電池的溫升特性，可得到結論即電池溫度不受形狀影響且內部溫度均勻分布[8]。Bernardi 在1985 年根據電池內部溫度均勻分布假設，提出了如下電池生熱模型：

式中：Q為電池產熱功率；I為電池充放電過程中電流，充電為正，放電為負；E為電池開路電壓；U為電池工作電壓；T為電池溫度；R為電池總內阻。

鋰電池產熱主要由四部分組成，公式如下：

式中：Qr為電池電化學反應熱；Qp為電池極化內阻熱；Qj為電池歐姆內阻熱；Qs為副反應熱。

電化學反應熱Qr為電池充放電過程中內部材料之間的反應產生的熱量，為可逆反應熱：

式中：F為法拉第常數；I為電池充放電過程中電流。

電池在充放電過程中發生極化反應，造成極化反應熱Qp：

式中：Rp為電池極化內阻；I為電池充放電過程中電流。

電池在充放電過程中還會產生歐姆反應熱Qj：

式中：Rj為電池歐姆內阻；I為電池充放電過程中電流。

電池產熱中也包括副反應熱，但副反應熱相較于其他反應熱極小，一般在計算過程中可以忽略不計。

綜上所述，電池產熱主要由電化學反應熱，極化內阻熱，歐姆內阻熱組成。

1.2 電池特性分析

本次實驗所測電池類型主要有鋰-氟化碳、鋰-金屬氧化物、鋰-氟化碳/二氧化錳混合物三種類型電池。經實驗發現，在相同放電倍率下，鋰-氟化碳電池產熱高于其他類型電池產熱。C-F 鍵結合能越高，電池在放電過程中極化越大，放電平臺電壓越低。而放電平臺電壓的降低是鋰-氟化碳電池產熱增加的主要因素[9]。氟化碳電化學反應式為：

鋰-金屬氧化物正極活性物質是二氧化錳，負極是金屬鋰，電解液為LiClO4/[高氯酸鋰(PC)+碳酸丙烯酯加二甲醚(DME)][10-11]。在放電過程中電極反應為：

Li/(MnO2+CFx)電池放電時先進行MnO2反應，再進行CFx反應。CFx反應階段時電池產熱明顯高于MnO2階段電池產熱。因此CFx所占比例增加，電池平均產熱會隨之增大，電池比熱容值也會增大。

1.3 電池發熱測試方法

如圖1 所示，針對不同型號電池設計相適配換熱器，保證換熱器尺寸能夠全覆蓋電池一側。電池作為熱源，兩側分別與兩塊相同尺寸的換熱器接觸。恒溫水浴箱中的水通過水管從換熱器一側入口處進入，并從換熱器另一側出口處流出，如圖2 所示，根據能量守恒定律，電池所產生的熱量會分別傳遞給上下兩塊換熱器。首先由與電池接觸的鋁板吸收熱量，該系統在極短時間內達到穩態，鋁板會很快將熱量傳遞給流道中的流體。流體在沿著換熱器內部流道前進的過程中會充分吸收來自電池所產生的熱量。電池產生的熱量轉移至流通工質中。使用熱電偶記錄換熱器出口處流體溫度與入口處流體溫度的差值，代入公式(8)計算，即可得到電池發熱功率。將發熱功率進行積分即可得到總發熱量。

圖1 換熱器與鋰電池布置圖

圖2 熱量傳遞示意圖

式中：Q為電池產熱功率；ρ為水的密度；cp為水的比熱容；v為水的流速；A為流道橫截面積；ΔT為出口與入口處流體溫差。

2 實驗過程及換熱器結構設計

2.1 實驗設備及布置方法

本次實驗設備主要有：安捷倫測溫儀與熱電偶(測量流體與電池溫度)；恒溫水浴箱(保證入口處液體溫度恒定)；放電儀；蠕動泵；隔熱棉(減少實驗漏熱)。實驗所需測試電池有三種體系，分別包括：鋰-氟化碳體系，鋰-氟化碳/二氧化錳體系，鋰-金屬氧化物體系。實驗人員對每種體系電池進行不同倍率的放電實驗。觀察電池在不同放電倍率下發熱功率變化情況，以及自身溫度變化和電壓變化等各項參數，進行對比分析。各體系鋰電池參數與放電電流如表1 所示。

表1 各體系鋰電池參數與放電電流

在實驗中，使用兩塊尺寸相同、結構對稱的換熱器將單體電池夾在中間，保證緊密貼合。外側包裹隔熱材料以減小系統的漏熱問題。圖3 為實驗裝置布置圖。圖4 為實驗裝置實物圖。其中熱電偶Temp1 用于測量入口處流體溫度；熱電偶Temp2 與熱電偶Temp3 分別放置在上下換熱器出口處，用于測量出口處流體溫度；熱電偶Temp4 與熱電偶Temp5 分別放置在電池一側，用于觀察電池溫度變化。數據顯示，靠近極耳的熱電偶Temp5 監測溫度數據高于遠離電池極耳的熱電偶Temp4。在放電設備上設置放電電流以及終止電壓，當電池開始放電時開啟安捷倫數據采集器，記錄每秒溫度直到電池放電到終止電壓結束實驗。最后將數據導出并處理分析。

圖3 實驗裝置布置圖

圖4 實驗裝置實物圖

2.2 換熱器結構設計

換熱器整體尺寸應完全覆蓋鋰電池表面，盡可能保證電池產生熱量被換熱器中流體所吸收。以鋰-金屬氧化物適配換熱器為例。圖5 為換熱器三維建模圖，換熱器入口與出口處位于兩端，入口、出口處上方做小孔用于放置熱電偶，從而測量進出口溫度。換熱器固體材料選取鋁合金，鋁合金材料具有高熱導率特點。電池產生熱量首先傳遞給鋁合金，高熱導率的鋁合金可以在很短時間內傳遞給流道內流體。

圖5 換熱器三維建模圖

本次研究重點在于測量電池發熱量，而散熱性能標準為控制電池溫度在安全范圍內即可。經過仿真證明：通道結構的不同對于電池產熱測試結果影響極小。因此選取傳統蛇形通道結構進行實驗。經過實驗驗證，使用換熱器間接測試電池產熱，電池溫度在實驗過程中始終控制在合理范圍內。蛇形通道結構換熱器滿足電池放電過程中控溫要求，同時能夠準確測量出電池產熱。圖6 所示為鋰-金屬氧化物相適配換熱器流道結構以及尺寸。通道高度為3 mm，通道寬度為5 mm，底板上板厚度均為2 mm。由于電池兩側分別貼合換熱器，在測得出口、入口溫差并代入公式計算得到產熱后，將上下換熱器測得產熱進行相加即為電池總產熱。

圖6 流道結構設計

3 實驗數據處理與計算

3.1 鋰-氟化碳電池數據計算及結果分析

對鋰-氟化碳電池進行放電電流分別為3、6、9、12 A 的放電實驗。鋰-氟化碳電池由于內部反應會導致在放電結束后出現鼓脹現象。圖7 為鋰-氟化碳電池分別在3、6、9、12 A 放電電流下放電過程中發熱功率、電壓變化曲線圖。通過分析圖7 曲線可得：鋰-氟化碳電池在放電過程中發熱功率不隨時間而變化，且鋰-氟化碳電池發熱功率較大。由于換熱器內冷卻工質對電池進行降溫，因此電池溫度在放電過程中始終保持在安全范圍內。電池在放電過程中的平臺電壓約為2.5 V。

圖7 鋰-氟化碳電池放電的發熱功率以及電壓變化曲線

表2 為鋰-氟化碳電池在不同放電電流下的發熱功率。

表2 鋰-氟化碳電池在不同放電倍率下的產熱

將鋰-氟化碳電池不同放電電流下的發熱量繪制成圖，如圖8 所示。

圖8 鋰-氟化碳電池不同放電電流下發熱功率

擬合得到不同放電倍率下鋰-氟化碳電池發熱量公式：

式中：Q為電池發熱量；I為單體電池放電電流。

3.2 鋰-氟化碳/二氧化錳電池數據計算及結果分析

對鋰-氟化碳/二氧化錳電池進行放電電流分別為9、12、15、20 A 的放電實驗。圖9 為鋰-氟化碳/二氧化錳電池放電的發熱功率以及電壓變化曲線，鋰-氟化碳/二氧化錳電池在放電過程中，首先是由二氧化錳進行反應，然后氟化碳材料參與反應，因此，該類型電池在放電開始時產熱較低，在反應后半段產熱大幅度增加，發熱功率出現兩個平臺。

圖9 鋰-氟化碳/二氧化錳電池放電的發熱功率以及電壓變化曲線

表3 為鋰-氟化碳/二氧化錳電池在各放電倍率下的發熱功率。

表3 鋰-氟化碳/二氧化錳電池在各放電倍率下的產熱

將鋰-氟化碳/二氧化錳電池不同放電電流條件下的發熱量繪制成圖，如圖10 所示。

圖10 鋰-氟化碳/二氧化錳電池不同放電電流下發熱功率

擬合得到不同放電電流下鋰-氟化碳/二氧化錳電池發熱量公式：

式中：Q為電池發熱量；I為單體電池放電電流。

3.3 鋰-金屬氧化物電池數據計算及結果分析

對鋰-金屬氧化物電池進行放電電流為14、19.6、28、33.6 A 的放電實驗。圖11 為鋰-金屬氧化物電池放電的發熱功率以及電壓變化曲線。通過圖11 可以得到：鋰-金屬氧化物在放電開始以及即將結束時的產熱高于中間段產熱。在相同的放電電流下，鋰-金屬氧化物放電的發熱功率明顯要小于鋰-氟化碳電池放電的發熱功率。

圖11 鋰-金屬氧化物電池放電的發熱功率以及電壓變化曲線

表4 為鋰-金屬氧化物電池在各放電倍率下的發熱功率。

表4 鋰-金屬氧化物電池在各放電倍率下的產熱

將鋰-金屬氧化物電池不同放電電流條件下的發熱量繪制成圖，如圖12 所示。

圖12 鋰-金屬氧化物電池不同放電電流下發熱功率

擬合得到不同放電電流下鋰-金屬氧化物電池發熱量公式：

式中：Q為電池發熱量；I為單體電池放電電流。

將三種電池在不同放電電流下發熱功率繪制成圖，如圖13 所示，鋰-氟化碳電池發熱功率＞鋰-氟化碳/二氧化錳電池發熱功率＞鋰-金屬氧化物電池發熱功率。

圖13 三種電池發熱功率對比

4 結論

本文主要針對三種不同體系的鋰電池提出了一種基于換熱器的發熱量測試方法。分析可以得到：(1)鋰-氟化碳電池的發熱功率基本上不隨時間而變化，且氟化碳材料發熱功率要大于其他材料；(2)鋰-氟化碳/二氧化錳電池的發熱功率由于內部材料會出現兩個產熱平臺，前期二氧化錳產熱階段發熱功率小于后期氟化碳材料放電階段；(3)鋰-金屬氧化物電池在開始與結束時的發熱功率要大于中間段。三種體系的電池產熱曲線符合電池自身特征且發熱功率數據與理論值吻合良好，將三種電池的發熱量與放電電流特性擬合成曲線，鋰-氟化碳電池發熱功率＞鋰-氟化碳/二氧化錳電池發熱功率＞鋰-金屬氧化物電池發熱功率。該測試方法的一大優勢在于可以有效解決鋰電池在大倍率放電工況下自身溫度過高的問題以及熱追蹤具有滯后性的問題，為后續鋰電池熱特性測試以及電池組熱設計提供了新思路以及理論參考。