車用鋰離子電池加熱方法探究

潘紹飛 曾 濤

（樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，四川 樂(lè)山 614000）

隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，新能源汽車越來(lái)越受到大家的關(guān)注，且正在一步一步的替代傳統(tǒng)燃油汽車成為人們?nèi)粘＝煌üぞ摺Ｏ嚓P(guān)研究表明，新能源汽車的使用可以明顯降低大氣污染物的排放，有效改善燃油汽車使用帶來(lái)的環(huán)境影響。目前市場(chǎng)上的電動(dòng)汽車大多使用鋰離子電池，但鋰離子電池在低溫環(huán)境下充放電性能較差，這直接制約了電動(dòng)汽車的發(fā)展。本文主要對(duì)電池低溫性能和低溫加熱方法進(jìn)行探究。

1 鋰離子電池低溫性能

下面對(duì)由10節(jié)18650型三元鋰電池采用5節(jié)并聯(lián)2組串聯(lián)封裝方式組成的電池組為研究對(duì)象，進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn),電池組的標(biāo)稱電壓為7.4V，電池容量為13000mAh。

首先對(duì)電池溫度在-30℃到55℃的放電特性進(jìn)行分析。為了防止充電方式不同給測(cè)試帶來(lái)影響，電池每次放電完成后都是在20℃常溫環(huán)境下進(jìn)行充電；先按照恒流2.6A方式進(jìn)行充電，電壓達(dá)到8.4V結(jié)束恒流充電，然后再按照恒壓8.4V方式進(jìn)行充電，待充電電流小于100mA時(shí)結(jié)束充電；充電結(jié)束后將電池組放入設(shè)置好溫度的保溫箱中靜置4小時(shí)，然后進(jìn)行-30℃到55℃放電實(shí)驗(yàn)，電池組在不同溫度下放電電壓曲線如圖1所示。相同充電條件，伴隨著電池組工作溫度的降低，電池組放電電壓逐漸降低，放電時(shí)間和放電容量也逐漸減少[1]，特別是溫度達(dá)到-30℃時(shí)，電池組電壓瞬間降低到下限電壓，放電容量非常少。為了保證充電測(cè)試的準(zhǔn)確性，每次充電測(cè)試前都將電池組置于常溫20℃環(huán)境下進(jìn)行放電，待電池組電量完全釋放后，對(duì)電池組進(jìn)行-30℃到20℃的充電測(cè)試。結(jié)果表明隨著充電溫度降低，電池組到達(dá)充電截止電壓的時(shí)間逐步縮短；當(dāng)環(huán)境溫度降低到-30℃左右時(shí)電池組幾乎不能夠進(jìn)行充電。由此可以看出，環(huán)境溫度對(duì)鋰離子電池的性能有很大的影響。

圖1 不同溫度放電電壓曲線

2 電池加熱方法探究

通過(guò)對(duì)電池充放電實(shí)驗(yàn)可以看出，鋰離子電池性能對(duì)溫度是很敏感的，低溫對(duì)電池性能的影響是非常致命的；針對(duì)鋰離子電池低溫性能差的問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)給電池加熱的方法來(lái)改善電池在低溫環(huán)境下的充放電性能。根據(jù)熱傳導(dǎo)方式的不同可將電池加熱方法分為外部加熱和內(nèi)部加熱，接下來(lái)就對(duì)這兩種方式進(jìn)行簡(jiǎn)要探究。

2.1 內(nèi)部加熱法

內(nèi)部加熱法是利用電池作為導(dǎo)體，用電流流過(guò)電池的焦耳熱效應(yīng)來(lái)加熱其自身。根據(jù)加熱方式的不同又可分為電池充電加熱法，電池放電加熱法和交流加熱法。充電加熱法主要是利用鋰離子電池內(nèi)阻隨環(huán)境溫度降低而增加這一特性，使用充電過(guò)程中產(chǎn)生的熱量來(lái)對(duì)自身進(jìn)行加熱，從而達(dá)到改善電池充電性能目的。放電加熱法主要是采用電池放電過(guò)程中自身所產(chǎn)生的熱量對(duì)自身進(jìn)行加熱，以達(dá)到提高電池溫度及改善電池工作性能的目的。充電加熱法和放電加熱法都必須對(duì)電池相關(guān)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格限制，防止電池出現(xiàn)過(guò)壓或者出現(xiàn)電池能量損耗過(guò)高等問(wèn)題，所以利用電池充電和放電產(chǎn)生的熱量對(duì)自身加熱局限性較大。交流加熱法是采用交流電給電池內(nèi)部電解液或者球棒加熱的方法，該方法加熱速度較快且溫度分布比較均勻[2-3]。

2.2 外部加熱法

外部加熱法是用外部加熱的氣體或者液體、加熱套/板及珀?duì)栙N效應(yīng)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池加熱的。氣體加熱法是指以外部電源或者鋰電池作為能量來(lái)源對(duì)空氣進(jìn)行加熱，利用風(fēng)扇使空氣直接流過(guò)每一個(gè)單體電池，從而達(dá)到對(duì)電池組加熱的目的；該加熱方法電池箱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，應(yīng)用比較廣泛。液體加熱法是指在電池組內(nèi)部布置用于液體流通的管道，通過(guò)適當(dāng)?shù)牧魍ǚ绞绞辜訜岬囊后w在電池組內(nèi)部循環(huán)流動(dòng)，高溫液體將熱量傳遞給低溫的電池，從而提高電池溫度，液體加熱法要求循環(huán)管路及電池箱體的密封性必須極好，否則很容易出故障，成本相對(duì)較高。加熱套加熱法是指在單體電池外部加上一個(gè)可以加熱的加熱套，此方法能夠均勻?qū)γ恳粋€(gè)單體電池加熱，但是需要在電池箱內(nèi)布置大量的控制線路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比較適用于長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境的車輛使用。珀?duì)柼訜岱ň褪抢门翣栙N效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱，此法能夠快速的實(shí)現(xiàn)電池由低溫到高溫；此外珀?duì)栙N效應(yīng)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的制冷作用，只需要通過(guò)改變珀?duì)柼刂齐娏鞯姆较蚣纯蓪?shí)現(xiàn)加熱到制冷的改變。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)三元鋰電池在低溫環(huán)境下的使用性能及常見(jiàn)的加熱方法進(jìn)行了探究。隨著環(huán)境溫度的降低，鋰離子電池的充放電性能嚴(yán)重降低；低溫充放電性能較差成為限制鋰離子電池及電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)重要原因。為了降低溫度對(duì)鋰離子電池充放電性能的影響，合理選擇和設(shè)置加熱方法非常必要；每一種加熱法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程要根據(jù)電動(dòng)汽車所處的應(yīng)用環(huán)境及相關(guān)特殊要求來(lái)制定加熱方法，以期電池能夠達(dá)到最佳的工作性能。