基于动力电池温度监控研究

余颖舜 龙志军 李华智

[摘           要]  现如今大部分锂离子电池组普遍使用寿命只有3～4年，寿命短的主要原因有以下几点：电池技术还不够完善、电池组使用环境比较复杂、电池衰减期比较短、电池发热得不到有效的监测，电池散热效率过低。研究汽车动力电池温度监控问题主要是解决温度异常对电池健康所带来的负面影响。 使用主流的18650型号的锂电池组作为主要的研究对象，对电池组内模组进行串并联设计，从上述电池所遇到的问题推导出电池热管理作用及研究方向。

[关    键   词]  动力电池温度监控;18650电池组;研究

[中图分类号]  TM912                    [文献标志码]  A                      [文章编号]  2096-0603（2020）02-0036-02

隨着国际对环保的日益重视，各国也开始颁布日益严苛的环保法规来制约车企所生产的汽车，从而减少汽车排放量。中国拥车数量过于庞大，所以急需颁布严苛排放法令，其目的就是让现阶段所生产的车辆更加环保，随着对汽车环保法规越来越严格，各国都在加紧研制新能源汽车，但是现阶段的新能源电动汽车面临很多问题，其一，是动力电池能量比不高，动力电池的续航里程普遍偏低，相比较于传统的燃油车动辄500到600百公里的续航，电动车续航优势反而不怎么明显。其二，动力电池安全性能偏低，尽管动力的电池在汽车布局处于底盘中间，但是在发生交通事故时电池是很容易受到外界挤压的，动力电池在使用过程中也会出现内部温度不平均问题，可能会导致动力电池起火甚至爆炸。目前主流的新能源汽车是采用电池模块，电池是电动车的动力源泉，三元聚合物锂电池组是目前汽车的动力电池所使用的主要类型。三元聚合物锂电池由于它独特的化学性质，所以它的形状可以多种多样，目前市面上的三元锂电池形状普遍就三种类型。圆柱形是三元锂电池应用最广泛的形状，因为圆柱电池生产工艺成熟产品自动化程度高，所以在行业已经是一种标准化产品，具有很高的一致性。

18650电池组主要是由圆柱形锂离子电池所组成，它具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因为这些优点是现在其他种类电池无法比拟的，所以大部分新能源车企把18650电池组作为新能源汽车的动力电池，尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池除开比同类型的动力电池相比能量密度高，其重量在相同的电池容量下比同类型的动力电池轻1.5～2倍。18650电池主要由正极、有机薄膜、负极、有机物电解液、绝缘层、电池保护壳等组成，其结构图如下。

正极——活性材料主要是Li+化合物，由于Li+的化学特性不活泼，所以经常用作三元电池的正极。

负极——有效材料主要是石墨烯复合物、Li2TiO3和近似石墨结构的碳材料等。

有机薄膜——主要由高分子塑料隔膜、无纺布、纳米纤维膜可以让Li+通过，但却是电子的绝缘体。

有机物电解液——一般为有机物体系，如EC、CH3O-COOCH3等材料。

电池保护壳——主要分为两种类型硬壳和软壳，硬壳主要是由钢壳、铝壳等，软壳主要是铝塑膜。

一、锂电池的工作原理

不同种类Li+电池的工作原理差异性不大，其原理是充电时则是Li+从正极出发通过电解液和隔膜向负极进行移动的过程。放电时则是相反，Li+从负极出发向正极移动的过程。锂离子电池的工作原理也就是指锂离子电池的充放电原理。

LiFePO4电池充放电原理的电化学反应方程式如下：

正极反应：LiFePO4？圳Li1-xFePO4+xLi++xe-

负极反应：xLi++xe-+6C？圳LixC6

总反应式：LiFePO4+6xC？圳Li1-xFePO4+LixC6

LiFePO4电池在充放电工作的过程中，不会发生物理变化，同时电解液质量也不会造成消耗，锂离子只是单纯在正负极做往返运动。

二、锂离子产热原理

新能源汽车在不断地发展，电池整体性能也在不断进步，拥有高能量密度和高输出功率等优点使锂离子电池成为新能源车的动力电池，Li+在发生化学反应的过程中会产生热量，而产生热量的主要原因是电化学反应中的焦耳热Qj、反应热Qr、极化热Qp以及有机薄膜分解热组成，有机薄膜分解将释放大量的热，这些热量的产生条件是温度高于80℃。这些热量无法在短时间内消失，从而会使电池组内部温度急剧升高，极其容易爆炸和燃烧。因此对锂离子的电池产热原理的研究具有很广阔的应用价值。

三、温度影响锂离子电池的特性

影响锂离子电池使用寿命的克星之一就是温度，如果锂离子电池工作温度范围能保持在20℃～40℃之间的话，那么锂离子电池具有最高效率和可容得老化特性。锂离子电池是最容易受到温度的影响，无论电池温度是升高或者降低，当温度过高时，锂离子电池化学反应速率会变快，电解活性也会随之增强，与此同时温度过高也会使锂离子电池的内阻减小，加之锂离子电池的一系列副反应加剧，锂电池进行高负荷工作直接导致电池老化速度加快，从而使锂离子电池的使用寿命进一步衰减，倘若温度得不到有效的控制任由其持续升高，电解液就会高温分解，其结果就是会引起起火甚至是爆炸。为了安全应对这样的事故，必须设计高效的冷却，这样才能在各种环境和工作条件下保证单体在最大允许的温度范围内工作。当锂离子电池温度相对较低时，锂离子电池电解活性也会随之减弱，从而导致锂离子化学反应速率减慢，同时锂离子电池内阻也会随之变大，导致内阻做功造成的焦耳热增加，将会严重影响锂离子电池的循环寿命，有效放电容量的实际容量会出现不断衰减的现象，并且电池容量发生的改变是不可逆的，高温情况下，锂离子的循环次数明显小于适宜温度下循环次数。当锂离子电池电压由4.2V放电至3.0V时，在环境温度为25℃的情况下，可以循环1500余次，而在环境温度0℃的情况下，仅能够循环200余次，在环境温度为45℃情况下，可以循环1050余次，在环境温度为55℃情况下，循环不足1000次，环境温度对锂电池的放电容量也有着直接的影响。综上所述，对动力电池组行之有效的温度监测系统就显得尤为重要。

四、锂离子电池温度监测控制系统的功能

移动应用的锂离子电池需要一个功能强大的电池温度监控系统，用于确保所需的10年以上的使用寿命，以及各种工作和环境条件下的全功能接入和可用性。电池温度监控系统是汽车动力电池的“御用医生”，它监测电池是否处于一个正常的工作温度，是否因为温度过高或者过低影响电池的正常使用，如果出现异常应该如何反馈给驾驶员。以下是锂离子电池温度监控系统的功能性概况。

（一）对电池工作温度状态的监测与控制功能

电池温度监控系统的核心传感器就是红外温度传感器，它将负责采集电池表面温度信息。实时采集每个柱状电池的温度数据，电池组整体温度变化可能会对单一柱状电池温度产生影响，所以一般用电池组的温度作为控制的指令信号，通过将事先设定的温度值与测得温度值的比较，来决定是否对电池温度进行冷却。

（二）对温度监测的功能

电动车在使用过程中，电池温度传感就会实时采集电池温度，然后向温度管理系统反馈信息。温度采集的方式是对每个柱状电池进行温度监测来获得电池温度是否存在异常，电池温度监测系统还可以通过电池温度的变化量来判定电池工作状态。而且实时给驾驶员反馈电池温度信息，避免车辆在行驶过程中由于汽车温度过高所引发的事故。

（三）温度监控与预警控制功能

电池温度传感器能对动力电池进行实时监控，它不单在汽车行驶过程中进行监控，还可以在车辆进行停泊充电的时候监控电池，并且对电池有可能会出现的情况及时进行数据处理并反馈给驾驶员。并且监测到电池组如果出现局部温度过高的话，先提示驾驶员，说明车辆电池局部温度异常，停止相关问题电池工作，并且将要降低电池的能耗。此外，电池组若经常性出现局部温度异常还将提醒用户要更换局部电池，以免影响整体电池组的可靠性和稳定性，使后期维护成本降低。

（四）动力电池温度采集方式

动力电池组采用红外温度传感器进行监测，每一柱状电池都有红外溫度传感器的照射，并实时监测电池的温度。选用红外温度传感器的目的是因为红外传感器的体积小，能同时对每一个柱状电池进行单一的监测，红外温度传感由于自身比较容易受环境的影响，所以测量精度相对较低。但是电池正常工作温度范围较大，所以轻微的测量误差对电池实际使用产生不了明显的影响。

（五）提高动力电池的整体使用寿命

新能源汽车的动力电池组普遍是由规格统一的圆柱形电池组合而成，其组合方式是通过串联或者并联的形式相结合。由于锂离子电池在工作的过程中会产生热量，而锂离子电池本身也是具有热传递特性，所以锂电池的内部材料大都选择非透明的材料，从而锂电池内部不会出现辐射传热的现象。因为锂离子电池化学特性容易出现对流传热和热传导。所以为了提高动力电池的使用寿命，我们将通过红外温度传感器来监测电池温度，温度传感器会监测的数据之间反馈EMS，EMS对问题电池进行标记，并停止其工作，从而保障电池工作的高效性。

五、总结及展望

电池所面对的“头号敌人”就是温度问题。所以电池热管理系统就相当于“统帅”，对电池寿命、可用性和安全性方面至关重要。实践中有各种各样的冷却和加热解决方法，还经常彼此间结合使用。主流的电池温度处理系统有以下几个能力：其一，设计师对电动车的底盘和电池形状设计作出专车优化设计，使其电池散热能力进一步加强。其二，目前液体冷却是行业公认散热效率最高的，因为液体的比热容相对比较高;气流冷却方面，电动车在行驶过程中通过给汽车底盘安装进气道来给底盘强制通风进行冷却。其三，电池的制造工艺和制造水平应该严格把控，避免问题电池流出。

动力电池热管理作为军队“统帅”，它的职责是指挥战争，但是决定战争是否能取胜，还关系“军师”电池化学的发展水平。内阻的降低和允许的单体最高温度的提高将降低对冷却的需求。同时追求提高功率和能量密度可以保持甚至提高冷却的花费。低温内阻降低以及负温度电池化学不敏感度的提升将降低加热功能的必要性。对电池高效和长寿的需求，以及电池安全和任何时刻都保持在最佳温度的需求，与上述相反，要求未来更有效和功能更强大的加热功能。

电动化驱动的第一代汽车的研发重点还停留在动力电池本身层面上，未来几年整个热管理的优化以及各个部件相互协调会成为焦点。新开发的技术如热泵的使用提供了新的机会并且帮助提高效率和电行程里程。与汽车类似，市场需求和特定使用环境不同，也将产生出各自迥异的电池冷却和加热方法。重要的是在整个系统中找到一个在成本、安装空间、重量、安全性和效率之间的平衡点。

参考文献：

[1]肖九梅.电动车辆动力电池的性能特点及其发展[J].电源世界，2018（1）：51-56.

[2]王霞坡.电动车辆动力电池系统及应用技术[M].机械工业出版社，2012.

[3]罗宗鸿.电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究[D].南昌：南昌航空大学，2018.

编辑 张 慧

本文系项目“佛山市新能源汽车技术应用科研基础平台”（项目编号：2017AG100151）的研究成果。