电动汽车动力电池模组低温加热实验

李 骏,廖 钰,刘俊宇,曾建邦,*

(1.华东交通大学机电与车辆工程学院,江西 南昌 330013;2.华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室,江西 南昌 330013;3.江西江铃集团新能源汽车有限公司,江西 南昌 330000)

动力锂离子电池的充放电性能、续航里程和使用寿命等,均对服役温度的变化很敏感[1]。锂离子动力电池在低温下的充放电性能会严重下降,充电时容易导致锂析出,甚至形成锂枝晶,诱发电池隔膜破裂,导致电池内部短路从而失效,严重威胁汽车和驾驶者的安全[2]。这使得锂离子电池乘用车得不到更进一步的发展,尤其是在高寒地区的普及应用。对动力锂离子电池进行低温加热,需要提升充放电性能,保证温度均匀性,并防止析锂现象和安全事故的发生[3]。

衡量动力锂离子电池低温加热性能的参数主要有升温速率和均温性,但以往的研究主要通过监测单体之间的温差来衡量电池包或电池模组内部的均温性,较少考察单体内部与表面之间的温差。加热过程中单体电芯内部有可能未达到电池管理系统(BMS)开启充电的最低温度,从而造成安全隐患[4]。

本文作者在制作单体电芯时内置热电偶,以监测加热过程中单体电芯内部温度变化过程,为深入研究动力锂离子电池低温加热性能提供数据支撑,对制定更加精准的动力锂离子电池加热策略具有实际意义。

1 实验

1.1 实验测试条件

实验采用动力锂离子电池(镇江产,3.67 V/52 Ah),正极材料为镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO2),负极材料为石墨,充放电工作温度为-30～55℃,尺寸为148.2 mm×26.7 mm×101.0 mm。采用的加热元件为正温度系数热敏电阻(PTC,东莞产),额定功率为100W,额定电压为60 V,内阻为35.93 Ω,尺寸为368 mm×155 mm×2 mm,电源由外部提供。加热实验主要采用3类箱体,包括泡沫箱体、塑料箱体、塑料箱体加隔热棉。泡沫箱体内尺寸为500 mm×280 mm×200 mm,箱体厚度为20mm。塑料箱体内尺寸为580 mm×420 mm×310 mm,箱体厚度为2 mm。隔热棉置于电芯底部与加热膜(PTC材料)之间,厚度为5 mm。模组电芯布置如图1所示,用TP720拓普瑞无纸记录仪(深圳产)记录电池温度数据。该记录仪采用输入的采集模块,能同时采集温度(热电偶、热电阻)、湿度、压力、流量和液位等参数。

图1 模组电芯布置Fig.1 Module cell arrangement

实验电池组由12只单体电池串联而成,电芯底部安装加热膜。实验时,电池完全密封置于箱体内。

1.2 实验测试方案

将电池在-20℃下静置,直至所有电芯内部热电偶温度达到环境温度(-20±2)℃;采用100W的功率加热,直至所有极耳温度达到10℃,停止加热;恢复至室温后,将电池在-10℃下静置,直至所有电芯内部热电偶温度达到环境温度(-10±2)℃;采用100W的功率加热,直至所有极耳温度达到10℃,停止加热。加热结束后关闭加热元件,采集各温度点的加热数据。

2 结果与讨论

为研究箱体对电芯升温速率的影响,将电芯分别置于泡沫箱和塑料箱内,在-10℃和-20℃下进行加热实验,测量大面底部、模组内部、大面中心、正负极耳等的温度数据,并进行分析处理。

2.1 箱体对电芯升温速率的影响

2.1.1 泡沫箱体

环境温度为-20℃、-10℃时,所需的加热时间分别为62.3min、44.7min。不同温度下泡沫箱体内电芯加热温升和升温速率如图2所示。

图2 不同温度下泡沫箱体内电芯加热的温升和升温速率Fig.2 Heating temperature rise and temperature rising rate of the cell in foam box at different temperatures

从图2可知,对于1号电芯,大面底部在-20℃时温升最大,为37.90℃,在-10℃时升温速率最快,为36.96℃/h;负极耳在-10℃时温升最小,为23.20℃,升温速率也最慢,为27.59℃/h,温升及升温速率从大面底部到正负极耳逐渐递减。对于6号电芯,大面底部在-20℃时温升最大,达到了40.30℃,在-10℃时升温速率最快,为29.20℃/h;负极耳在-10℃时温升最小,为23.20℃,升温速率也最慢,为29.78℃/h,温升及升温速率逐渐递减。环境温度为-20℃时,电池组的温差为2.60℃,升温速率相差2.35℃/h;环境温度为-10℃时,电池组的温差为1.40℃,升温速率相差1.80℃/h,升温速率中间快两边慢,表现出一定的不均匀性。综上所述,对于同一电芯,温升从大到小依次为大面底部、大面中心、内部和极耳,从大面底部到正负极耳逐渐递减,表现出一定的温度梯度,因此以极耳为最低加热温度的策略较为可靠。不同温度下加热的升温速率差别很小,同一部位在不同温度下的升温速率大致相同。在泡沫箱体中,极耳的升温速率平均相差1.00℃/h。

2.1.2 塑料箱体

-20℃、-10℃的加热时间分别为83.0 min、49.2 min,各电芯的加热温升及升温速率见图3。

图3 不同温度下塑料箱体内电芯加热的温升和升温速率Fig.3 Heating temperature rise and temperature rising rate of the cell in plastic box at different temperatures

从图3可知,塑料箱的温升梯度与泡沫箱体类似,相比于泡沫箱体,塑料箱体的模组温升高3.00～4.00℃,但升温速率却低2.00～3.00℃/h。泡沫箱体各电芯内部在-10℃和-20℃的加热升温速率基本一致,而塑料箱体在-10℃下的加热升温速率明显大于-20℃。塑料箱体的导热性能远好于泡沫箱体,使箱体内部环境温度与外部环境温度一致。在塑料箱体中,极耳升温速率平均相差3.00～4.00℃/h,因此电池包的壳体采用塑料箱体为佳。

2.2 隔热棉对电芯升温速率的影响

-20℃、-10℃的加热时间分别为63.0 min、45.0 min,图4和图5分别为隔热棉对塑料箱体加热温升及升温速率的影响。

从图4、图5可知,带隔热棉的最高温升在6号电芯内部,为34.30℃,最高升温速率也在6号电芯内部,为33.03℃/h;无隔热棉的最高温升在6号电芯内部,为36.30℃,最高升温速率也在6号电芯内部,为32.86℃/h。模组中部电芯升温速率高于两侧,说明模组电芯底部受热不均。加隔热棉后,模组内部温升下降1.00～2.00℃,但升温速率上升1.00℃/h,这是由于隔热棉的隔热作用。在塑料箱体内部加隔热棉,能达到与电池包箱体内部相同的导热环境。

图4 隔热棉对温升的影响Fig.4 Effects of thermal insulation cotton on temperature rise

图5 隔热棉对升温速率的影响Fig.5 Effects of thermal insulation cotton on temperature rising rate

3 数值模拟

3.1 数学模型

PTC材料具有正温度系数,当温度超过某一数值时,随着温度上升,电阻率以指数形式增大,生热功率急剧下降。锂离子电池组采用PTC材料来加热,加热过程中动力电池不进行充放电。若将电池模块作为整体进行考虑,电池热量满足式(1):

式(1)中:QH为加热膜产生的总热量;Qb为电池模块本身吸收的热量;Qba和Qha分别为电池、加热膜与环境交换的热量。

电池吸收的热量用式(2)表示:

式(2)中:m i、Cpi、ΔT i分别为第i只电池单体的质量、比热容和温度变化;N为电池单体数量。

若在绝热环境下,电池、加热膜与外界交换的热量为0,即Qba=Qha=0,则式(2)可化简为:

在实际过程中,电池不可能处在绝热环境,一定存在着热量的传递。热传递主要有3种基本形式,分别为热辐射、热对流和热传导[5]。

电池的热辐射主要发生在表面,与表面材料的性质有关,可用斯特藩-玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann)修正经验公式描述辐射传热能力。在密闭容器内,物体单位时间、单位面积对外发射的辐射热量的计算公式见式(4)。

式(4)中:E为单位热流量;ε1为黑体辐射常数,取值为5.67×10-8W/(m2·K4);σ为比例系数,取值为5.670 373(21)×10-8W/(m2·K4);T1、T2分别为物体表面的温度和空腔的温度,K。

热对流只有在流体中才会存在,且伴随着流体分子运动产生热的传导。动力电池周围充满空气,在加热过程中,空气的流动会与电池和加热膜产生对流换热。

热对流的基本计算用牛顿公式表示为:

式(5)中:φ为热流量,W;A为面积,m2;h为表面传热系数,W/(m2·K4);Tw、Tf分别为壁面温度和流体温度,K。

热传导的形成有两个条件:存在温差;必须直接接触。在PTC加热过程中,加热膜与动力电池底部直接接触,因此热传导是动力电池底面加热过程中热量传递的主要方式,热传导过程服从傅里叶定律[6]:

式(6)中:负号表示热传递方向与温度传递的正方向相反;q为热量的传导量,W/m2;比例系数λ为导热系数(或导热率),W/(m·K);θ为温度;n为导热面长度,m;箭头表示方向;grad(θ)是空间某点的温度梯度。

动力电池在PTC加热过程中,通过热辐射传递的热量非常少,因此本文作者主要考虑其他两种热传递方式:热传导和热对流。

在仿真建模前,需建立电池的导热微分方程。实验忽略一些次要因素,简化假设如下:①所研究的物体是各向同性的连续介质;②该物体的导热系数、比热容和密度等物性参数均已获得;③内热源在物体内部空间均匀分布。

据此,建立常物性、三维、内置热源的非稳态导热方程:

式(7)中:τ为加热时间,s;为内热源强度,W/m3;ρ为电池平均密度,kg/m3;c为电池比热容,J/(kg·℃);∂x、∂y和∂z表示空间x、y和z轴的积分。

3.2 物理模型

针对塑料箱体所密封的模组,进行-10℃环境下的低温加热仿真分析,利用连续介质力学数值技术结合现代软件工程技术(STAR-CCM)+划分网格,如图6所示,之后与实验所得数据进行对比,验证仿真的准确度。

图6 电池模组温度分布图Fig.6 Temperature distribution diagram of batterymodule

3.3 计算条件

计算时,认为电池间无缝隙。环境温度为-10℃,电池对流换热系数为6W/(m2·℃),密度为 2 255 kg/m3,比热容为980 J/(kg·℃)。导热系数x轴和y轴相同,设置为2.732 W/(m·℃),z轴设置为0.913W/(m·℃)。

4 计算结果与分析

将实验测试结果和仿真计算结果进行对比,如图7、图8所示。

图7 -10℃塑料箱体内电池模组加热温升与升温速率的仿真与实验分析Fig.7 Simulation and experimental analysis of the heating temperature rise and temperature rising rate of the battery module in the-10℃plastic box

图8 各电芯仿真与实验对比分析Fig.8 Simulation and experimental analysis of each cell

从图7、图8可知,仿真计算结果与实验测试结果吻合良好,但仿真计算值略高于实验测试值。这是因为模型不考虑内部热损失,边界条件考虑得较理想,自然对流换热系数与实验环境有差异。模型计算过程中可以发现,在加热初始阶段,电芯温度基本相同,随着加热过程的进行,各电芯温升表现出一定的差异性,由大到小依次为电芯大面底部、大面中心、电池内部和正负极耳。这与实验测试结果的变化规律吻合。

5 结论

为研究电池低温加热过程中模组和电芯内部均温性,本文作者分别通过实验和数值模拟两种方法,采用PTC加热元件对有无隔热棉的塑料箱和泡沫箱内的电池模组进行加热,结果表明:

在相同环境温度和加热功率下,对于同一电芯,温升最大为大面底部,大面中心第二,内部次之,极耳最小;从下部到上部逐渐递减,表现出一定的温度梯度。

不同温度下加热速率的差值很小,同一部位在不同温度下的升温速率大致相同;在泡沫箱体中,极耳升温速率平均相差1.00℃/h,在塑料箱体中,极耳升温速率平均相差3.00～4.00℃/h。

塑料箱体的导热性远大于泡沫箱体,致使箱体内部环境温度基本与箱体外部环境温度一致;通过仿真得到电池温升趋势与实验相同。

在加热过程中,极耳温度一直处于最小值,这表明以极耳温度作为加热开启温度的最低温度策略,较为可靠。

该研究为指导实际电动汽车动力电池低温加热策略设计提供了一定的理论依据,对电动汽车向低温区域推广应用具有现实意义。