基于紅外熱成像技術的軟包鋰電池熱特性分析

李 君， 付 瑩， 于 鋒， 劉 藝

(吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室， 長春 130022)

能源消耗逐年攀升，排放法規日益嚴苛，以及國家政策地積極推動，促使新能源汽車發展勢頭強勁，其中電動車的銷量最為搶眼，截至2019年6月，電動車銷售量幾乎占據了新能源汽車全部的銷量[1-2]。鋰離子電池作為電動車的心臟，熱特性是鋰離子電池研究過程中主要關心的問題，熱特性不僅關系到電池本身性能的發揮，同時也關乎著整車的動力性及安全性，關于熱特性的影響因素有很多，例如系統短路、環境溫度惡劣等，這些因素會導致電池表面熱穩定性降低，嚴重時導致電池熱失控甚至帶來更加嚴重的后果。研究鋰離子電池熱特性無論是對鋰離子電池本體的優化，還是對整車系統安全性動力性續航性都有重要意義[3-7]。鋰離子電池在工作過程中會產生大量的熱，很多學者對鋰離子電池進行相關研究，文獻[8-10]以圓柱形電池為研究對象，利用仿真和試驗的手段分別研究了冷卻結構和某些電池參數指標對電池表面溫升的影響，利用仿真可視化云圖以及測溫儀來獲得電池表面溫度數值，根據獲得的數據可以對電池熱管理系統進行優化以及預測電池表面溫度變化，文獻[11-12]分別以方形鋰離子電池單體和電池組作為研究對象，運用仿真手段，對電池表面溫度場進行可視化分析，獲得單體電池在熱失控下電池整體性能數據，為電池保護裝置的設計提供參數支持，對電池組溫度場仿真，為建立動力電池熱管理系統提供了技術參數的支持。綜上鋰電池熱特性的研究是大家主要關注的焦點，以軟包三元鋰電池為研究對象，使用紅外熱像儀監測電池在不同工作狀態下電池表面溫度變化情況，探究軟包三元鋰電池的熱特性。軟包電池相比于圓柱形和方形電池體積更加纖薄可控，能量密度更高，這也比較符合中國新能源車市場的發展趨勢。紅外熱成像測試方法相比于傳統接觸式熱電偶測量電池表面溫度的方法，它具有響應快、測溫范圍寬、測溫精度高、測溫結果形象直觀等優點。在實驗過程中通過控制電池不同放電倍率，環境溫度等因素模擬電池在不同工作狀態時電池表面溫度變化情況[13]，以期為熱管理系統優化，單體性能的開發提供參數指導。

1 試驗系統及方案

1.1 試驗系統介紹

紅外熱成像測試鋰離子電池溫度場試驗平臺如圖1所示，平臺包括三元鋰離子軟包電池、紅外熱成像儀、充電機、直流負載、恒溫箱、參數采集卡、工控機等器材，其中電池的基本尺寸參數如表1紅外熱成像儀采用的是FOTRIC225科研型，所測波長范圍為8～14 μm，測溫范圍-20～350 ℃，所測溫度精度0.1 ℃，像素320×240,視場角(FOV)24°×18°續航長達10 h以上，；實驗采用充電機為Chroma62012P-40-120型號，該款直流電源可以編程，輸出的電壓范圍0～600 V，輸出的電流范圍0～120 A, 可以多檔位功率輸出，補償電壓可以達5 V，可以使用Labview或者labwindows控制驅動程序；實驗采用Chroma63206E-600-420型號直流負載，它具有可編程的特點，輸出的電壓范圍0～150 V，輸出的電流范圍0～600 A，測試精度高，支持多種工作模式；恒溫箱是自制的箱內設有冷板以及四組散熱器與風扇，箱外接有大小恒溫水槽以保證箱內溫度恒定；工控機連接有電池測試系統及可視化測試終端，可視化終端專用軟件是AnalyzeIR和MATLAB，可以將所得圖像影像進行轉化可批量生成報告；參數采集卡可以讀取溫度、電流、電壓數值。

圖1 電池實驗搭建成果圖Fig.1 Battery module construction diagram

表1 電池基本參數

1.2 試驗方案

為了減少紅外反射以及保證統一的發射率，因此要在實驗之前采用116槍式模型空氣噴筆，在電池表面均勻噴涂一層黑漆，圖2(a)是116槍式模型噴筆，圖2(b)為從英國Hallcrest公司購置的黑漆，為保證統一的發射率即為1.0，需要在電池表面均勻地噴涂黑色底漆，圖3為噴涂黑漆的鋰離子電池單體。之后對紅外熱像儀校準標定，表2是熱成像儀與黑體對比擬合參數表，結果表明熱成像儀的測量誤差在-0.1～0.2 ℃。進行電池表面溫度場監測時需要在電池表面及電池所接觸的環境中布置監測點如圖4所示，其中值得注意的是兩極監測點設置在正負極邊緣以內5 mm的位置。在恒溫箱上面設置具邊長為1 000 mm的方形封閉架子，架子中間設置有方形開口，紅外熱像儀嵌放在方形開口處，恒溫箱上表面設有43 cm×31 cm的開口，便于紅外熱成像儀拍攝電池表面溫度的變化。實驗開始時設置充電機充電截止電壓為4.2 V，充電電流為36.5 A，充電截止電流為2.0 A，由直流負載進行恒流放電控制，連接紅外熱成像儀，將它設置成自動調焦模式，錄像頻率為 5.0 f/s，啟動工控機打開 AnalyzIR 軟件，利用Labview中的程序與采集卡相配合，對實驗數進行記錄和保存。

圖2 116槍式模型噴筆和黑漆Fig.2 116 gun model airbrush and black primer

圖3 噴涂了黑漆的電池表面Fig.3 Black painted battery surface

表2 黑體與紅外熱像儀采集溫度對比

圖4 電池表面監測點設置Fig.4 Battery surface monitoring point setting

為探究三元鋰離子軟包電池在不同工作狀態下熱特性設計了如下方案：①首先利用紅外熱成像儀測量了電池在25 ℃、1 C情況下電池表面溫度變化情況；②25 ℃是企業最為關心的一種條件，在25 ℃時以不同夾持方式分別進行1/4 、1/2、3/4、1 C放電記錄監測點溫升情況；③保持恒溫箱處于不同環境溫度下，測量監測點溫升情況。

2 實驗結果分析

2.1 紅外熱像儀溫度場測試

利用紅外熱像儀測量溫度做了很多試驗，現用25 ℃、1 C放電情況下為例，進行說明軟包電池表面溫升狀況。圖5為溫度標尺，圖6為利用紅外熱成像儀測得的電池表面溫度變化紅外熱像成像圖。在圖中可以看出放電開始時，正極的溫度最先發生變化，隨著時間推移溫度逐漸升高，溫度升高的區域面積逐步擴增到整個電池表面，正極溫度由24.0 ℃到30.2 ℃，溫升的方向由正極開始向負極區域移動，在30.2 ℃之后結束放電之前，電池表面溫升從電池體中部開始向兩極發展，直至整個電池表面溫度均勻分布。放電結束時兩極的溫度為：正極31.9 ℃、負極31.6 ℃正極溫度略高于負極，電池體中部33.1 ℃。 放電結束后電池兩極溫度先降低，溫度降低的趨勢由兩極向電池體中部發展，直至電池表面溫度恢復本態。

圖5 溫度標尺Fig.5 Temperature scale

圖6 Medical調色板顯示25 ℃下1 C放電電池表面溫度分布Fig.6 Medical palette shows surface temperature distribution of 1 C discharge cell at 25 ℃

2.2 放電倍率、夾持方式對觀測點溫升的影響

結合圖7與表3可知，在放電條件下，溫升隨著放電倍率的增加而升高，1 C時以黃銅片夾持升高的溫度最大為8.2 ℃；以導電夾的方式夾持最高升溫可達28.9 ℃，所以導電夾的方式夾持極耳，不利于電池表面散熱。

2.3 不同環境溫度對觀測點溫升的影響

結合圖8、表4可以得出：環境溫度為20、25 ℃電池溫升平穩變化均勻。環境溫度為25 ℃時電池表面平均溫升最小，其值為8.1 ℃,環境溫度為15 ℃時電池表面平均溫升最大，其值可達26.5 ℃。從35、15 ℃曲線(圖8)可以看出，電池前期生熱量大溫度上升快，是因為環境溫度過高不利于電池表面散熱，溫度過低會導致電池內電解液黏度過低，鋰離子遷移阻抗變大，致使產熱量增多。

圖7 25 ℃，1/4、1/2、3/4、1 C放電正極、負極、電池體溫度變化對比Fig.7 1/4, 1/2, 3/4, 1 C discharge positive, negative, battery body temperature change comparison under 25 ℃

圖8 15、20、25、35 ℃，1 C放電正極、負極、電池體溫度變化對比Fig.8 Comparison of temperature rise of positive, negative and battery bodies at 15, 20, 25, 35 ℃ with 1 C discharge

表3 25 ℃下不同放電倍率的電池表面平均溫升變化對比Table 3 Comparison of battery surface temperature change with different discharge rate under 25 ℃

表4 15、20、25、35 ℃,1 C放電電池表面平均溫升

3 結論

為探究鋰離子電池放電時的熱特性，現以容量為43 A·h三元鋰離子軟包電池為研究對象利用非接觸式方法與可視化手段相結合進行實驗得到如下結論。

(1)25 ℃、1 C放電條件下正極極耳處溫度最先升高，隨著時間的推移，電池體中部溫度逐漸升高，溫度升高所影響的面積越來越大直至整個電池表面發生溫度變化，1 h后溫度出現峰值，電池表面最大溫度為33.1 ℃。放電1 h為電池的溫度最高的敏感時期，對此應加以重視，在熱管理系統中加強控制監測策略。

(2)隨著放電倍率的逐漸增大，放熱量也逐漸增多，導電夾的夾持方式會導致溫升加劇，為熱管理設計提供新的參數支持。

(3)環境溫度過高與過低都不利于電池表面散熱，20～25 ℃是該電池的最佳工作溫度。若環境溫度不在這個適宜范圍內，則要考慮調整冷卻系統以確保電池保持在最佳的工作狀態。