基于電量影響下的鋰離子電池熱穩定性分析

李 勇，楊佩蕓，馬瑞雪，孫明威，王曉冬

（1.黑龍江科技大學 礦業工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027；2.成都理工大學 商學院，四川 成都 610059；3.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022）

1 鋰離子電池電量管理系統設計

1.1 采樣設計

現階段，對鋰離子電池的電池電量進行檢測的方法主要有兩種：第一種是以電流積分作為基礎；第二種是以電壓測量作為基礎。電流積分方法使用范圍較為廣泛，但是在實際采樣中采樣精度需要進一步調整。一般來說，10 A以下的系統，會應用采樣電阻作為傳感器設備。在對電池組進行采樣統計時，主要有充電和放電兩個環節。充電時，采樣電路的電壓為正，放電時為負。單片機只能對正電壓進行A/D轉換。因此，采樣過程要將放電時的負電壓轉化為正電壓，之后再進行下一步處理。系統中，電流的采樣電壓范圍為-2.5～+2.5 V，其中-2.5～0 V為放電電流，0～2.5 V為充電電流。采樣設計中，參考電壓為2.5 V，反向疊加后的電壓可以通過反相器衰減到0～2.5 V。之后，將采樣后的數值和1.25 V進行比較，大于1.25 V為放電狀態，容量相減；反之，相加[1]。

1.2 數據采集

電流數據的采樣工作受到溫度的影響。根據鋰離子電池的特征，在其工作溫度的范圍內，每20 ℃劃分一個采樣區間。以充電電流為例，可以得到電流值，如表1所示。

表1 鋰離子電池充電電流不同溫度電流值

表1為不同溫度條件下的電流情況，主要是應用霍爾傳感器進行測量和記錄。但是，在實際操作中，該項設備會產生較大誤差，所以需要進行校正，降低偏差。

1.3 計算方法

在進行計算的過程中，要明確鋰離子電池的電量計算原理。在系統充電的情況下，充電電流只會對電池組的剩余可用容量產生影響，放電電流和系統會對工作電流情況下的RM與DCR產生影響。計算過程中，要重點關注電流采樣和溫度變化，避免出現容量誤差。循環過程中，不斷積累會使誤差逐漸擴大。對此，計算時可以采用三段式校正方法，即5%容量校正、100%容量校正和電壓校正等。比如，當充電額定電壓值為41.5 V時，實際充電的電壓大于額定電壓時，需要將容量設定為100%；放電到30 V時，容量設定為5%，此時運用y=2 346.87-1.045 6x進行校正計算。其中，y為額定電壓狀態下，電池內部剩余的容量；x為鋰離子電池的循環使用壽命。校正時，可以根據上述公式先計算得出35 V對應的容量值，之后將其與RM寄存器進行比較。當大于寄存器內容值時，RM保持不變；當小于寄存器內容值時，將RM寄存器內容量值進行調整。通過系統計數器，可以對鋰離子電池充電和放電的時間進行統計。處于非工作狀態時開始計時，當發生充電行為時，將計時器清零。

2 電量對鋰離子電池熱穩定性的影響

2.1 額定容量的影響

對鋰離子電池熱穩定性受電量影響進行分析時，分別對不同額定容量并處于出廠狀態的同一型號鋰離子電池進行了熱穩定試驗。在確保安全的前提下，對發生初爆溫度和二次燃燒爆炸時的溫度分別進行記錄，分析和探究額定容量對鋰離子電池熱穩定性的影響，具體情況如圖1所示。

圖1 不同額定容量鋰離子電池的初爆和二次燃燒溫度

根據圖1可以看出，額定容量為1 500 mA的鋰離子電池，試驗中初爆溫度和二次燃燒溫度呈現出2種不同容量的高值，具體溫度為332 ℃和429 ℃。可見，在3種不同額定容量的鋰離子電池中，該型號的電池具有較高的熱穩定性。當額定容量不斷增大時，鋰離子電池的初爆溫度和二次燃燒溫度會同時降低。可以得出，在其他條件相同時，鋰離子電池的熱穩定性會受到額定電量的影響，且額定電量越大，熱穩定性越低[2]。此外，當電池的最大額定容量從2 800 mA降低到2 200 mA時，雖然初爆溫度和二次燃燒的溫度有小幅度提升，但是從總體趨勢來看，在較高的額定容量情況下，電池的額定容量降低并不會使其熱穩定性得到顯著提升。所以，在鋰離子電池開放運輸中，要對額定容量高于1 500 mA型號的電池進行限制或者采取針對性的控制措施。

2.2 SOC的影響

不同SOC狀態下的鋰離子電池，熱穩定性會呈現不同的特征。通過試驗和觀察方式，可以對其初爆溫度和二次燃燒的溫度進行統計，具體如圖2所示。

可見，當鋰離子電池的SOC逐漸上升時，初爆和二次燃燒的溫度降低，表明鋰離子電池的熱穩定性在逐漸降低，即鋰離子電池發生爆炸和燃燒的風險幾率在提升。此外，鋰離子電池的SOC從0%上升到100%的過程中，電池的初爆溫度僅降低了24 ℃，說明鋰離子電池的SOC對電池的初爆影響并不明顯。在SOC上升的過程中，二次燃燒的溫度發生了巨變，從375 ℃降低了110 ℃，表明鋰離子電池對二次燃燒會產生明顯影響。對鋰離子電池SOC進行控制，可以一定程度上提高電池運輸環節中的安全，降低火災等風險問題的產生。目前，大部分鋰離子電池在出廠狀態下的SOC約為50%。此種狀態下，鋰離子電池的二次燃燒溫度約為311 ℃。根據上述研究的結論可以得出，對SOC進行控制并使其始終保持在較低水平，有助于降低鋰離子電池運輸環節中的風險。

圖2 不同SOC狀態下鋰離子電池的初爆溫度和二次燃燒溫度

3 基于電量影響下的鋰離子電池熱穩定性分析

鋰離子電池的熱穩定性和電量之間存在密切關聯。

第一，試驗中，鋰離子電池的燃燒狀態基本呈現出兩種形式，即初爆和二次燃燒。

第二，鋰離子電池的熱穩定性，受電池電量的影響十分顯著。鋰離子電池的穩定性系數，會隨著額定容量和SOC數值的增加而降低，呈現出反比例關系[3]。SOC數值的變化對鋰離子電池初爆問題的影響較小，對二次燃燒具有顯著影響。

第三，鋰離子電池的運輸環節中，需要對其額定容量進行管理和控制。將鋰離子電池的最大額定容量控制在1 500 mA以內，以此提高鋰離子電池在運輸環節中的安全性。此外，針對額定容量高于1 500 mA的鋰離子電池，要采取限制運輸和提高監管的方式，確保電池在運輸流通領域風險可以被控制。要求鋰離子電池運輸中SOC數值在10%以內，為使用安全提供有力保障。

4 結 論

綜上所述，鋰離子電池的熱穩定性與電池電量存在明顯的聯系。因此，探究二者關系的過程中，可以通過采樣設計、數據采集和優化計算方法等方式優化鋰離子電池的熱穩定性，并分析判斷鋰離子電池熱穩定性與電量的關系，以提供相關參考。