鉅大LARGE | 點擊量:1255次 | 2021年04月16日
鋰離子電池依靠自身放電預(yù)熱,什么策略最高效 你了解嗎?
我們討論的動力鋰電池低溫預(yù)熱,是最近兩年才逐漸被重視起來的,而之前的大部分電動汽車,基本沒有預(yù)熱功能,甚至可能電池包內(nèi)部根本沒有加熱設(shè)施。那么,這類電動汽車,就只有靠自身放電的發(fā)熱量給自己加熱了?,F(xiàn)在已經(jīng)有非常多的研究證明,低溫充電尤其是較大電流充電會帶來壽命衰減,原因如下:
低溫環(huán)境只能小電流充電,其失效的重要原因是在低溫環(huán)境充電過程中出現(xiàn)鋰枝晶。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽極表面上沉淀,并進一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此,可用的電解質(zhì)和鋰離子都會丟失,電池體積發(fā)生變化,導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電器和粘合劑的腐蝕都會降低電池容量,最終導(dǎo)致電池永久性損壞。
而低溫放電的問題則重要表現(xiàn)在放電平臺電壓下降,能量縮水和效率降低上,不會出現(xiàn)永久容量損失,典型的低溫放電表現(xiàn)和原因分析如下:
當環(huán)境溫度從25℃降至-20℃時,電池的平均容量降低了一半,而容量的標準方差增大了6倍。降低環(huán)境溫度會明顯增大電池的阻抗,特別是電荷轉(zhuǎn)移阻抗,同時,電池間的阻抗差異也被放大;電池放電容量與其阻抗之間存在線性關(guān)系。因此,低溫下電池容量方差的增大是由于電池阻抗方差的增大引起的,而其中,電荷轉(zhuǎn)移阻抗起了重要用途。
有研究者基于這樣的認識基礎(chǔ):低溫充電危害大,低溫放電則不會造成太大的損害。討論了鋰離子電池放電自加熱模型,分析到底以多大電流放電,才能帶來最高的加熱效率,在一定程度上節(jié)約能源。當然,低溫下大電流放電,是否會直接造成加速老化問題,我們在其他文章中繼續(xù)尋找答案。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
結(jié)論先行:論文認為,放電率和加熱時間呈指數(shù)下降趨勢,與放電率和功耗相似。當選擇2C放電率時,電池溫度可以在280秒內(nèi)從-10C上升至5C。在這種情況下,加熱過程的功耗不超過額定容量的15%。隨著排放率逐漸降低,加熱過程的加熱時間和功耗新增緩慢。當放電率為1C時,加熱時間超過1080s,功耗接近額定容量的30%。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。當放電率為1C時,加熱時間超過1080s,功耗接近額定容量的30%。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。當放電率為1C時,加熱時間超過1080s,功耗接近額定容量的30%。放熱速率對加熱過程中加熱時間和功率消耗的影響在不到1C時顯著增強。
1引言
鋰離子電池由于其優(yōu)點,如污染減少,壽命周期長,能量密度高,功率性能好等,已成為電動汽車的重要動力源[1]。但是,鋰離子電池在低溫下的性能很差。當溫度降低時,電池的歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻同時新增[2]。例如,-5C下充電的LiFePO4電池的歐姆電阻是室溫下的5倍[3]。當溫度低于-10C時,電池容量和功率性能都顯著下降[4]。在這種環(huán)境下,電池充電比放電更困難。假如電池被迫充電,其負極上會出現(xiàn)鋰沉積物和樹枝狀晶體,從而導(dǎo)致內(nèi)部短路[5](譯者注:有其他文獻闡述,可以利用較小的電流充電而不會出現(xiàn)鋰單質(zhì)沉積問題)。到目前為止,通過使用創(chuàng)新材料來解決鋰離子電池的低溫性能問題已經(jīng)很困難[6]。因此,在低溫條件下使用電池之前,通常要將電池加熱到合適的工作溫度。
目前,在低溫環(huán)境下加熱電池的方法重要分為外部加熱和內(nèi)部加熱。WangFacheng等人[7]使用電熱絲加熱電池箱通風道入口處的空氣,然后通過空氣對流加熱電池。Hyun-SikSongetal.等人[8]也通過空氣對流實現(xiàn)電池加熱。上述加熱方法可以使電池溫度迅速升高到適當?shù)臏囟?,并且在低溫下電池性能顯著改善。然而,這種方法在加熱過程中造成不必要的能量損失,并且通過空氣對流加熱的技術(shù)的能量利用率低。ZhangChengning等人[9]使用寬線金屬薄膜加熱電池。與加熱前幾乎不能放電相比,電池在加熱后可以釋放50%的電能。
LiuCunshan等人[10]建立了動力鋰電池的低溫加熱模型,并比較了正溫度系數(shù)(PTC)加熱器和電熱膜加熱器的影響。電熱膜加熱模式不影響電池的散熱,并在一定程度上具有絕緣性能。然而,用于電動汽車輛的動力鋰電池由多個單元組成,這些單元緊密排列在一起,串聯(lián)并聯(lián)[11]。在外部加熱模式下,電池單體不均勻加熱,導(dǎo)致局部溫度迅速升高。結(jié)果,電池的一致性惡化,電池組的壽命大大縮短。在更嚴重的情況下,某個電芯退化特別嚴重,則可能導(dǎo)致嚴重事故。與外部加熱方法相比,內(nèi)部加熱的重要優(yōu)點是在充電/放電過程中使用由內(nèi)部電阻出現(xiàn)的熱量。內(nèi)部加熱方法的特點是能量效率高,可以實現(xiàn)電池均勻加熱。YanJi等人[12]模擬了一個擁有兩個電池模組的電池包,這些電池組在一定的頻率下交替充電和放電,利用DC/DC作為升壓裝置,最終獲得理想的溫升效應(yīng)。脈沖加熱消耗電池能量少并且不要傳熱系統(tǒng)。但是加熱過程中電池的充電電壓可能達到4.5V,這明顯高于充電截止電壓并新增形成鋰枝晶的可能性。張劍波等[5]建立了鋰離子電池的頻域模型,其額定容量為3.1Ah,并建議使用正弦交流電進行內(nèi)部加熱。電池可以在15分鐘內(nèi)從-20C加熱到5C,溫度分布基本保持均勻。然而,加熱過程伴隨著瞬態(tài)過電壓現(xiàn)象。實驗記錄的最大電池電壓為4.5V。假如在實際應(yīng)用中無法選擇合適的交流振幅和頻率,電池可能會處于過電壓狀態(tài),從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)損壞。ZhaoXiaowei等人[13]提出使用大電流脈沖加熱3.2V,12Ah磷酸鐵鋰離子電池。充電和放電截止電壓分別為2.1V和3.6V。加熱過程共包含18次充放電循環(huán)。在最后的實現(xiàn)中,電池溫度從-10C上升到3C。RuanHaijun等人[14]使用恒定極化電壓作為邊界條件,進行高頻交流電加熱電池。最終,電池溫度可以在338秒內(nèi)從-15C升至5.6C。基于電熱耦合模型,管理恒定極化電壓,進行電池加熱以在短加熱時間和對電池壽命的較小損害之間實現(xiàn)折衷。然而,由于該研究僅證明在經(jīng)過30次重復(fù)的內(nèi)部加熱測試后電池沒有顯著的容量衰減,假如測試重復(fù)超過30次,則電池的整體健康狀況無法確定。盡管脈沖加熱可以有效地加熱電池,緩解低溫的影響,較大的電荷脈沖振幅導(dǎo)致陽極表面更強的極化[15]。
鋰離子電池失效的重要原因是,在低溫環(huán)境充電過程中出現(xiàn)鋰枝晶[16]。鋰金屬在低溫下或在高速充電期間在石墨陽極表面沉淀,并進一步與電解質(zhì)反應(yīng)。因此,可用的電解質(zhì)和鋰離子都會丟失,電池體積發(fā)生變化,導(dǎo)致活性物質(zhì)與集電器之間接觸不良[17]。電解質(zhì)和鋰離子的嵌入加速了石墨顆粒的剝離。集電極和粘合劑的腐蝕變質(zhì)都會降低電池容量[18]],最終導(dǎo)致電池永久性損壞。充電則不同,盡管鋰離子電池的放電容量減少,放電平臺電壓下降,但在低溫條件下放電不會對電池造成永久性損壞。
在此基礎(chǔ)上,本研究開發(fā)了一種通過恒流放電在低溫下內(nèi)部預(yù)熱鋰離子電池的方法。電池放電期間內(nèi)部電阻出現(xiàn)的溫度用于在低溫環(huán)境下加熱電池。當前,很難預(yù)測與低溫下鋰離子電池自熱過程相關(guān)的加熱時間和功耗。因此提出了考慮電池溫度和充電狀態(tài)(SOC)動態(tài)變化的溫升模型。當該模型與安培小時積分法相結(jié)合時,通過恒流放電實現(xiàn)電池內(nèi)部自熱的過程,放電倍率、加熱時間和功耗之間的定量關(guān)系得以被描述。此外,本文解決了預(yù)測低溫自加熱的加熱時間和功耗的問題。
2.溫升模型
戴維寧模型用于分析放電過程。如圖1所示,Rr代表歐姆電阻,Ur是Rr上的電壓,Cp和Rp分別代表極化電容和極化電阻,Up是Cp和Rp上的電壓,UOCV是開路電壓,E是端電壓,I是放電電流。在本文中,Rtotal相當于Rr,Cp和Rp的組合,在溫升模型中將其標注為R。
圖1.戴維寧模型
電池出現(xiàn)的熱量可分為不可逆熱量和可逆熱量。不可逆熱量包括焦耳熱和濃差極化熱??赡鏌?,也稱為反應(yīng)熱,是指在電化學(xué)反應(yīng)中釋放或吸收的能量,以維持反應(yīng)的能量平衡。參考文獻[19],本文使用的簡化發(fā)熱方程可表示為(1):
其中,I是電池的工作電流(正充電,負放電),E是電池電壓,UOCV是開路電壓,Qt是總發(fā)熱功率。QJ是不可逆的發(fā)熱功率,它代表電流流過時歐姆電阻出現(xiàn)的熱量和電池中材料轉(zhuǎn)移時因濃度差異出現(xiàn)的熱量之和。Qr是可逆熱或反應(yīng)熱,它取決于電流的方向和熵系數(shù)的符號。開路電壓受電荷狀態(tài)(SOC)的很大影響,并隨不同的化學(xué)成分而變化[20]。當電流流過時,電池端電壓和開路電壓之間的差異是由內(nèi)部電阻出現(xiàn)的電壓出現(xiàn)的[21]。因此,不可逆熱量可以表示為等式(2),其中R是電池的等效內(nèi)部電阻。
電池溫度受發(fā)熱,熱傳導(dǎo)和熱擴散的影響[22]。除了內(nèi)部產(chǎn)熱之外,電池在低溫下工作時也會向外部散發(fā)熱量。有兩種重要的熱損失方法:對流和熱輻射。與熱對流相比,熱輻射非常小,因此被忽略[23]。散熱可以用(3)表示:
其中是等效傳熱系數(shù),A是電池的表面積,T是電池溫度,并且T∞是環(huán)境溫度。因此,熱平衡方程可以按照下面的等式得到:
其中m是電池質(zhì)量,c是比熱容。從公式(4)可以看出,電池出現(xiàn)的總熱量受電流,電阻,開路電壓,等效傳熱系數(shù)和電池溫度的影響。人們可以認為,更大的電流和電阻會導(dǎo)致更大的熱量出現(xiàn)。相反,更高的等效傳輸系數(shù)和電池溫度導(dǎo)致更多的散熱,使得出現(xiàn)的總熱量減少。本文開發(fā)的電池溫升模型將考慮電池加熱過程中電阻和開路電壓的變化,以保證精度。