基于微熱管陣列鋰電池的低溫加熱性能

梁佳男，趙耀華，2，全貞花，2，葉欣，遲遠英，2

（1北京工業(yè)大學(xué)，綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124；2北京未來網(wǎng)絡(luò)科技高精尖創(chuàng)新中心，北京 100124）

基于微熱管陣列鋰電池的低溫加熱性能

梁佳男1，趙耀華1，2，全貞花1，2，葉欣1，遲遠英1，2

（1北京工業(yè)大學(xué)，綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100124；2北京未來網(wǎng)絡(luò)科技高精尖創(chuàng)新中心，北京 100124）

鋰離子電池作為車載動力電池，其充放電性能受到低溫環(huán)境影響。對低溫環(huán)境下的鋰電池進行加熱，升高電池溫度，可以提高其充放電容量及可用容量比，改善其充放電性能。為了研究采用新型熱管加熱的鋰電池加熱方法對低溫鋰電池充放電性能的影響，本文對不同低溫環(huán)境下鋰電池充放電特性進行測試，并采用新型熱管加熱的方法對低溫鋰電池加熱，對比其充放電性能。結(jié)果表明：低溫環(huán)境下鋰電池的充放電性能大幅衰減，采用新型熱管加熱的方法能夠顯著提升電池的低溫充放電性能，加熱時間很短，溫度反應(yīng)迅速。–30℃環(huán)境下，30W加熱功率可使單塊電池20min內(nèi)溫度升高30℃，放電容量提高39.95%，充電容量提高86.44%。本研究為低溫環(huán)境下車載鋰電池的高效利用提供了新的技術(shù)方法與數(shù)據(jù)支持。

鋰離子電池；充放電特性；低溫性能；加熱方法

鋰離子電池由于具有電壓高、能量密度大、壽命長、自放電率低和貯藏時間長等優(yōu)點[1]，受到廣泛關(guān)注，具有很好的應(yīng)用前景。然而在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的充放電性能受到很大影響[2-7]。通過對電池加熱可提高電池溫度，改善性能。目前國內(nèi)外對電池加熱方式主要分為兩個方面：一方面是利用不同頻率的交流電對電池內(nèi)部加熱；另一方面是利用加熱元件對電池進行外部傳熱。

HAND和STUART[8-10]采用不同頻率交流電對鉛酸和鎳氫電池進行內(nèi)部加熱，電池溫度從–40℃上升到10℃只需幾分鐘時間。低頻交流電簡單，但裝置占用空間大不易安裝；高頻交流電目前還無法加載應(yīng)用。液體加熱方法[11-12]是通過溫度較高的液體對電池箱內(nèi)的電池進行加熱。液體加熱對電池箱的密封條件要求較高，而且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜；氣體加熱方法[13-14]是使用電熱絲加熱電池周圍的空氣，進而對電池進行加熱。氣體加熱電池溫升均勻，但升溫速度慢且加熱所需能耗高。雷治國、張承寧等[15-16]采用寬線金屬膜包裹在電池表面對電池進行加熱，提高電池在低溫環(huán)境下充放電性能，但是被包裹后電池的散熱效果不良。ALAOUI和SALAMEH[17-18]利用帕貼爾效應(yīng)對電池進行熱管理，通過改變半導(dǎo)體制冷片電流極性實現(xiàn)對電池的加熱/制冷，該方法實際應(yīng)用難度大，目前在電池上研究較少。

本文提出一種采用新型熱管加熱的低溫加熱方法，以趙耀華等[19]發(fā)明的微熱管陣列（micro heat pipe array，簡稱MHPA）為基礎(chǔ)，將其應(yīng)用于電動汽車鋰電池系統(tǒng)的加熱中。采用新型熱管加熱的方法能夠快速提升鋰電池的溫度，提高鋰電池低溫條件下充放電性能。

1 基于MHPA鋰電池加熱方法

1.1 微熱管陣列

微熱管陣列MHPA是一種具有良好均溫性和較快熱響應(yīng)速度的導(dǎo)熱能力超強的導(dǎo)熱元件[20]。主要依靠內(nèi)部工質(zhì)相變傳遞熱量，外部鋁材及內(nèi)部充注少量工質(zhì)組成多根獨立運行的微熱管，每個通道內(nèi)部有強化換熱的微翅結(jié)構(gòu)，如圖1所示。本文選用的熱管尺寸為210mm×60mm×3mm。

圖1 微熱管陣列實物圖

1.2 鋰離子電池

本文選用長方體磷酸鐵鋰電池進行實驗。磷酸鐵鋰電池的基本尺寸參數(shù)如表1所示，實物圖如圖2所示。

表1 鋰離子電池性質(zhì)

圖2 磷酸鐵鋰電池實物圖

1.3 加熱方法

采用不同尺寸的加熱片對熱管底部進行加熱，對比不同加熱功率下電池受熱效果。實驗采用的加熱片尺寸分別為60mm×20mm和60mm×40mm，加熱電壓24V，加熱功率可調(diào)。

加熱模型如圖3所示，熱管底部與加熱片貼合，通過加熱片對熱管底部直接加熱，熱量通過熱管向上傳遞，熱管上部與電池最大的兩個側(cè)面貼合，實現(xiàn)對電池的加熱。

1.4 與傳統(tǒng)加熱方法的對比

傳統(tǒng)的加熱方法是利用加熱膜對電池底部直接進行加熱，熱量由底部向頂部進行傳遞。本實驗采用功率為12W的加熱膜貼于電池底部，對電池進行加熱20min，觀察電池溫度的變化情況。同時，相同功率下采用熱管底部貼加熱膜加熱，進行對比，如圖4所示。

圖3 鋰電池加熱模型

圖4 傳統(tǒng)加熱與熱管加熱電池溫度變化曲線

相同功率加熱相同時間，電池溫升越高、溫度越均勻的加熱效果越好。從圖4中可以看出，同樣加熱20min，采用熱管加熱的電池平均溫度升高15℃左右，電池上下部分溫差小，小于2℃；而傳統(tǒng)加熱方法電池平均溫度僅升高9℃，電池上下部分溫差大，達到7℃?？梢姡捎脽峁芗訜岜葌鹘y(tǒng)加熱效果好很多。

2 基于MHPA鋰電池低溫加熱充放電性能實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)如圖5所示，將電池放置在溫箱中，溫箱可提供測試所需的環(huán)境溫度；電池的充放電裝置采用新威爾EVT500V-300A，直接與電池正負極柱相連接；直流電源與熱管底部的加熱片相連，提供不同的加熱功率；利用安捷倫34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集溫度，實時采集數(shù)據(jù)到計算機并進行處理。

2.2 放電特性實驗

2.2.1 無熱管加熱的放電特性

圖5 實驗系統(tǒng)組成

為研究溫度對電池放電性能的影響 ，將電池在常溫下充滿電，然后靜置在不同環(huán)境溫度的溫箱中5h，靜置結(jié)束后以0.5C倍率進行9A恒流放電，截止電壓為2.5V。在–40℃～+20 ℃范圍內(nèi)，放電曲線如圖6所示。

圖6 鋰電池在不同溫度下的放電曲線

從圖6中可以看出，鋰電池的放電電壓隨溫度降低而降低，9A恒流放電下，–40℃條件下基本不能放電，–30℃、–20℃、–10℃與20℃相比，電池放電電壓平均分別下降 0.6V、0.45V、0.2V；不同溫度下鋰電池的放電容量及可用容量比如表2所示。

表2 不同溫度下的放電容量和可用容量比

由表2可見，隨著環(huán)境溫度的下降，電池的放電容量逐漸降低，可用容量比率快速下降。當(dāng)環(huán)境溫度降至–20℃時，恒流放電的可用容量比率降為47.11%，低于電池容量的50%；當(dāng)環(huán)境溫度降至－40℃時，電池已無法進行放電。

2.2.2 采用熱管加熱后的放電特性

將電池在常溫下充滿電，然后靜置在不同低溫（–30℃，–20℃，–10℃）的溫箱中5h，靜置結(jié)束后，采用熱管對電池進行加熱，當(dāng)電池上部外表面溫度加熱到0℃后停止加熱，同時以0.5C倍率進行9A恒流放電，截止電壓為2.5V，不同功率加熱后的放電曲線分別如圖7所示。圖中從下到上依次為–30℃、–20℃、–10℃溫度下電池由熱管加熱到0℃后的放電曲線，并與正常0℃的放電曲線進行了對比?？梢钥闯?，采用新型熱管加熱方式加熱后，電池的平均放電電壓升 高，–30℃和–20℃溫度下放電電壓分別由2.65V和2.75V提高到3.0V左右，–10℃由2.9V提高到3.1V。

圖7 加熱前后鋰電池放電曲線

鋰電池的放電容量得到顯著提高，經(jīng)低溫加熱后的放電容量均可達到15Ah左右。–30℃和–20℃溫度下的電池最終放電容量略小于正常0℃的放電容量，–10℃溫度下的電池最終放電容量略大于正常0℃的放電容量，其原因主要是加熱停止后熱管余熱繼續(xù)對電池進行加熱，同時電池本身與環(huán)境之間存在對流換熱，二者的共同作用結(jié)果使電池溫度存在微小差異，導(dǎo)致放電容量不完全相同。

無熱管加熱與不同功率熱管加熱后鋰電池的放電容量及可用容量比如表3所示。

由表3可見，采用熱管加熱后的放電容量得到很大提高，–30℃條件下可用容量比率提高39.95%，–20℃條件下可用容量比率提高34.39%，–10℃條件下可用容量比率提高19.72%。改變熱管加熱功率對放電容量影響不大，只對加熱時間有影響。

表3 加熱前后的放電容量與可用容量比

2.3 充電特性實驗

2.3.1 無熱管加熱的充電特性

將電池在常溫下放電完全，然后靜置在不同環(huán)境溫度的溫箱中5h，靜置結(jié)束后以0.5C倍率進行恒流-恒壓充電，截止電壓為3.65V。在–40℃～+10℃范圍內(nèi)，分別進行恒流-恒壓充電，充電曲線如圖8所示。

圖8 鋰電池在不同溫度下的充電曲線

從不同溫度的充電曲線可以看出，與低溫電池放電特性相比，電池的充電性能衰減更為明顯。隨著溫度降低，恒流充電時間和充入容量快速減少，恒壓充電時間和充入容量增加，充入相同容量所用時間增加。在–10℃以下，電池幾乎無法進行正常充電，充電電流加載瞬間，電池電壓升高到截止電壓3.65V，直接進入恒壓充電階段。不同溫度下鋰電池的恒流充電容量及可用容量比率如表4所示。

由表4可見：隨著環(huán)境溫度降低，電池恒流充電容量快速衰減，與可用放電容量相比，衰減更嚴(yán)重；當(dāng)溫度降至–10℃時，恒流充電容量僅為額定容量的32.39%；當(dāng)溫度低于–20℃時，電池?zé)o法進行恒流充電。

表4 不同溫度下的恒流充電容量和可用容量比

2.3.2 采用熱管加熱后的充電特性

將電池靜置在不同環(huán)境溫度的溫箱中5h，靜置結(jié)束后，通過熱管對電池進行加熱，當(dāng)電池溫度加熱到0℃后停止加熱，同時以0.5C倍率進行恒流-恒壓充電，截止電壓為3.65V，不同功率加熱后的充電曲線如圖9所示。

圖9 加熱前后鋰電池充電曲線

圖9中從下到上依次為–30℃、–20℃、–10℃溫度下電池由熱管加熱到0℃后的充電曲線，同樣與正常0℃充電曲線進行了對比。可以看出，采用新型熱管加熱方式加熱后，–30℃和–20℃溫度下均可實現(xiàn)恒流充電，恒流充電時間變長，恒流充電容量極大提高。鋰電池的恒流充電電容量得到顯著提高，經(jīng)低溫加熱后的恒流充電容量均可達到16Ah左右。與正常0℃環(huán)境下恒流充電容量差別的原因和放電容量差別的原因相同，也是熱管余熱和環(huán)境對流換熱共同作用的結(jié)果。無熱管加熱與不同功率熱管加熱后鋰電池的恒流充電容量及可用容量比分別如表5所示。

由表5可見，采用熱管加熱后鋰電池的恒流充電容量得到極大提高，–30℃條件下恒流充電容量比率提高86.44%，–20℃條件下可用容量比率提高89.11%，–10℃條件下可用容量比率提高59.67%。改變熱管加熱功率對恒流充電容量影響不大，只對加熱時間有影響。

表5 加熱前后的恒流充電容量與可用容量比

2.4 加熱后電池及熱管的溫度變化

將標(biāo)定好的熱電偶涂上導(dǎo)熱硅膠，并用防水隔熱膠帶固定在已充滿容量的電池表面和熱管上，分別位于電池單體側(cè)面上中下位置和熱管的上下位置，如圖10所示，A面電池測溫點101～103，熱管測溫點104～105，B面電池測溫點106～108。

圖10 電池及熱管測溫點分布圖

實驗中電池上中下3個位置對應(yīng)的AB面測溫點101與106、102與107、103與108間的溫差很小，均小于3℃。取101與106的平均溫度記為電池上部溫度，103與108的平均溫度記為電池下部溫度。不同環(huán)境溫度不同加熱功率下電池的溫度隨時間變化如圖11所示。

由圖11可見，采用新型熱管加熱方式加熱電池，電池的溫度基本呈線性變化；加熱功率越大加熱所需時間越短，30W加熱功率時由–30℃、–20℃、–10℃加熱到0℃所需的時間分別為20.1min、14.5min，7.0min；70W加熱功率時由–30℃、–20℃、–10℃加熱到0℃所需的時間分別為13.2min、8.8min、4.7min；同時，功率增大時電池表面溫差增加，30W加熱功率加熱時電池表面溫差為2～3℃；70W加熱功率加熱時電池表面溫差為5～7℃。

不同加熱功率下熱管的溫度隨時間變化如圖12所示。

圖11 電池溫度隨時間變化曲線

圖12 熱管溫度隨時間變化曲線

由圖12可見，熱管被加熱時溫度響應(yīng)迅速，30W加熱功率下熱管3min內(nèi)溫度升高20℃，70W加熱功率下熱管2min內(nèi)溫度升高40℃，升溫極為迅速，說明熱管具有很好的導(dǎo)熱性；加熱開始時熱管溫度迅速上升，隨著與電池之間進行傳熱的增加，溫度上升緩慢；熱管底部溫度與頂部溫度變化穩(wěn)定一致，說明熱管的具有很好的均勻性；功率增大時熱管底部與頂部溫差會隨之加大，30W功率下的溫差保持2℃以下，70W功率下溫差有所升高，在10℃以下。

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)加熱片底部加熱實驗對比可得出：采用熱管加熱效果優(yōu)于傳統(tǒng)底部加熱，相同時間內(nèi)電池溫升高，電池均溫性更好。

（2）鋰電池的充放電性能受到低溫環(huán)境影響，溫度越低，充放電容量越少。當(dāng)溫度低至–20℃時，放電可用容量比率降為47.11%，低于電池容量的50%，當(dāng)溫度降至–40℃時，電池?zé)o法進行放電；充電時溫度對容量影響更為明顯，當(dāng)溫度降至–10℃時，恒流充電容量僅為額定容量的32.39%；當(dāng)溫度低于–20℃時，電池已無法進行恒流充電。

（3）采用新型熱管的加熱方法可以大幅改善動力電池的低溫性能，提升充放電容量。溫度越低提升效果越明顯，–30℃條件下采用熱管加熱后的放電可用容量比率提高39.95%，恒流充電容量比率提高86.44%。

（4）新型熱管加熱方法加熱電池，加熱時間短，溫度響應(yīng)迅速。–30℃環(huán)境下，30W加熱時20min可使電池升溫30℃，電池外表面溫差小于3℃；70W加熱時13min使電池升溫30℃，電池外表面溫差小于7℃。

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Low-temperature heating performance of lithium-ion battery based on functional heat conducting material

LIANG Jianan1，ZHAO Yaohua1，2，QUAN Zhenhua1，2，YE Xin1，CHI Yuanying1，2
（1Beijing Key Laboratory of Green Built Environment and Energy Efficient Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2Beijing Advanced Innovation Center for Future Internet Technology，Beijing 100124，China）

The charge-discharge performance of lithium-ion battery as a vehicle power battery is affected by low-temperature. Heating lithium-ion battery at low-temperature conditions toincrease the temperature can improve the charge-discharge peformace and available capacity ratio. To study the effect of the charge-discharge performance of lithium-ion battery with new heating method using heat pipes，the performance tests were conducted under the different low-temperatures. The results showed that the charge-discharge performance dropped significantly in low-temperatures，and the charge-discharge performance could be visibly improved by heating with heat pipes. Heating method with heat pipes could significantly reduce the heating time. Under the condition of –30℃，the heating power of 30W could increase the battery rise temperature by 30℃ within 20 minutes，the discharge capacity and charge capacity increased 39.95% and 86.44%，respectively. This study provided a new technical method and data for using lithium-ion batteries efficiently in low-temperature.

lithium-ion battery；low-temperature performance；charge-discharge performance；heating method

TM 912.9

A

1000–6613（2017）11–4030–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0385

2017-03-07；修改稿日期2017-04-07。

北京市教育委員會社科計劃重點項目（SZ201510005002）。

梁佳男（1992—），男，碩士研究生，主要從事電池加熱方面研究。E-mail：1402263056@qq.com。聯(lián)系人全貞花，博士，副教授，研究方向為強化傳熱和可再生能源利用。E-mail: quanzh@126.com。