锂电池内短路特性研究*

贾丙硕 许冀阳 孟 妮 苟琦智

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

引言

纯电动汽车的动力来源为动力电池，安全可靠的电池技术可以为电动汽车的安全行驶提供有力保障。电池在使用过程中发生内短路会使其内部温度在短时间内急剧上升，出现热失控或起火爆炸等相关问题，锂电池内短路已成为制约电动汽车快速普及的关键因素。对锂电池内短路特性进行研究并使用合理手段进行短路抑制成为愈发重要的工作；同时建立一套切实可行的锂电池内部温度监测方法也变得至关重要。在对锂电池内短路特性研究中，各国学者逐渐积累了大量经验和方法。

1 锂电池基础与常见故障分析

1.1 锂电池工作原理

锂离子电池内部由正、负电极电解质以及隔膜组成，其中磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂等为最常见的正极材料，负极一般是石墨结构类似的碳[1]；具有优良化学稳定性以及导电性的锂离子化合物有机溶液构成了电解质，隔膜实现正负极的分隔从而避免短路问题的发生[2]，图1 为锂电池基本结构与工作原理。

图1 锂电池基本结构与工作原理

锂电池充放电实际就是在不断发生氧化还原反应的过程，具体充放电过程可以表示为：锂电池正电极在放电时得到电子发生还原反应，充电时失去电子进行氧化反应；负电极在放电时失电子进行氧化反应，充电时得电子进行还原反应。关系式如下：

正电极：

负电极：

总反应式如下所示：

式中：LiMOy表示常用的锂金属的氧化物。

1.2 锂电池相关性能参数

为了便于评价锂电池的性能，人们通常使用一些参数对锂电池性能加以描述，其中电池电压、内阻、容量、温度以及电池荷电状态等参数最为常用

1）电池电压

为了方便研究，人们通常使用电池工作电压、开路电压以及截止电压对电池电压进行描述。电池工作电压用来描述当电池正常工作时两电极之间的电势差大小；电池开路电压表示当电池长期放置后两电极之间的电势差几乎不再发生变化时的电压，一般开路电压大于电池工作电压，开路电压与电池SOC 有关。截止电压表示当电池充放电时的最高或最低电压，当电池充放电时达到截止电压，电池两端电压便不会继续上升或下降。

2）电池内阻

由于电池内部存在电极材料、电解液等，复杂的内部构造使得电池存在一定内阻，电池内阻与温度、内部构造等因素有关[3]。

3）容量

将电池释放所有电能的量来描述电池容量，电池容量受环境温度、放电倍率等因素影响。

4）温度

环境温度、表面温度以及内部温度对电池性能都会产生影响。

5）荷电状态（SOC）

电池剩余容量的多少用荷电状态SOC 来表示。

1.3 锂电池充放电特性

锂电池在频繁的充放电过程中会出现以下问题：

1）不均衡性

锂电池在充放电过程中会出现电池不均衡特性，即由于单体电池差异性的原因导致有些单体电池会出现过充电或过放电的现象，从而导致电池变形或者泄露，存在爆炸的隐患。

2）电池老化

随着充放电次数的增加，电池会逐渐出现内阻增加、容量降低的现象，即出现电池老化的问题。研究发现电池过充或过放电、使用环境对电池使用寿命存在较大影响。

3）极化现象

锂电池的极化表现为锂电池由于充放电使得电池内部锂离子浓度在短时间内出现分布严重不均衡的现象[4]。研究表明锂电池充放电的电流大小、充放电温度以及电池内部的活性物质浓度对锂电池的极化都会产生极大影响。

4）自放电问题

锂电池在存放过程中会出现自放电的现象，随着电池循环次数的增加、存放时间的增加等，电池自放电量会逐渐增加[5]。此外电池电极的粒子大小以及电极表面积大小也会对电池自放电产生明显影响。

2 锂电池内短路特性

2.1 内短路电压特性

锂电池发生内短路现象时短路电阻主要取决于两个电极的导电材料以及接触电阻，因此通过计算可以得到短路电阻：

图2 内、外短路端电压差异性对比

由上图可知随着短路半径的增加，相同阻值下的内外短路电压差异性越大，因此小短路半径的情况下内外短路电压差异较为相似。

2.2 内短路温升特性

当锂电池发生内短路时其内部的温度变化可以表示为：

式中：Cp表示电池的比热容；m 表示电池质量大小；Qj表示电池内部产热量大小；A 表示电池表面积大小；H 表示换热系数；Ts-Ta表示电池表面与环境的温差。此外电池内部产热大小Qj可以表示为Qj=对于发生故障的电池其内部产热大小可以表示为

式中：Qi表示由于内短路产生的热值。锂电池发生内短路时电池内部温度在短时间内会急剧升高，因此对内部温度进行合理监控能够有效判断内短路与否。

2.3 内短路造成的热失控特性

依据经验可知锂电池发生内短路时会造成局部热量迅速升高，因此研究电池热失控过程中电池产热功率以及功率密度至关重要[6]，在一系列的短路半径上面施加5×109W/m3的功率，我们可以得到如图3 所示的热失控触发时间与发热半径之间的关系。

图3 热失控触发时间与发热半径之间的关系

由图可知在一定的发热功率密度下，热失控触发的时间随着发热半径的增大而降低，换言之，当发热半径小到一定程度时将不再触发热失控。因此大幅度地降低接触面积可以有效地避免热失控现象的发生。

3 热电耦合模型

3.1 电池SOC 模型

利用安培积分法，在电池充放电过程中实时对充放电电流进行监测，然后对该段充放电时间积分便可得到该时段内的充电或放电量，具体的表达式为：

3.2 电池内部温度估计

计算电池内部的产热速率大小以及焦耳热，其中焦耳热大小计算式如下所示：

式中：R0和Rd表示电池的内阻参数。

另外依据锂电池的表面积大小A、对流换热系数H 以及电池表面Ts与环境Ta的温差大小可以计算出锂电池与环境之间进行的热交换Qe大小，具体如下：

依据电池集总参数热模型我们可以得到电池当前与上一时刻二者之间的温度关系，具体如下所示：

式中：Cp表示电池比热容大小；m 代表电池质量。电池集总参数热模型如图4 所示。

图4 电池集总参数热模型

3.3 单体电池及电池组热电耦合模型

利用能够充分反映电池极化特点的二阶RC 等效电路模型对锂电池外特性进行模拟，电池温度值可以依据热模型获得。将得到的温度值传递到等效电路模型以此来获得最优的二阶RC 参数以及电池端电压和电动势，然后再利用此时的参数代入生热公式计算电池产热量，最后通过电池热模型计算当前时刻的电池温度，此时就完成了单体电池与等效电路热电模型的耦合。单体电池模型耦合过程如图5所示。

图5 单体电池热电耦合模型过程

分析相邻单体电池之间的热量传递与交换方式以及电池热量散失，主要分为1）热传导，即电池热量经导热装置传递到冷却装置，最终散失；2）各个单体电池间的热量传递；3）电池与壳体之间的热量交换。因此电池模组的热电耦合模型可以表示为：

式中：Q 表示电池产生的热量大小；Qc表示单体电池间热量传递的大小；Tf表示冷却介质温度；Ts，j表示电池温度；Ta表示环境温度；hl为对流换热系数；h 表示电池壳体与外界换热系数；Aa与Ab分别表示电池与外界空气及冷却液的换热面积；Ml表示冷却液质量。

将等效电路模型参数代入电池热模型得到电池生热量大小，然后通过计算得到单体电池温度，按此结果查取等效电路模型参数来完成耦合，得到电池组热电耦合模型，以此计算电池温度。

4 结论

电动汽车锂电池内短路问题成为亟待解决的问题，如何对电池内部温度及热失控进行精准计算是研究电池内短路问题的重中之重。本文从锂离子电池单体和电池模组入手，分析电池内短路机理，基于电池内短路时温度的异常变化数据，建立电池内部温度监测热电耦合模型，从而对电池内部温度进行实时监测，防止内短路现象的发生。