基于動力電池溫度監(jiān)控研究

余穎舜 龍志軍 李華智

[摘? ? ? ? ? ?要]? 現(xiàn)如今大部分鋰離子電池組普遍使用壽命只有3～4年，壽命短的主要原因有以下幾點：電池技術(shù)還不夠完善、電池組使用環(huán)境比較復雜、電池衰減期比較短、電池發(fā)熱得不到有效的監(jiān)測，電池散熱效率過低。研究汽車動力電池溫度監(jiān)控問題主要是解決溫度異常對電池健康所帶來的負面影響。 使用主流的18650型號的鋰電池組作為主要的研究對象，對電池組內(nèi)模組進行串并聯(lián)設計，從上述電池所遇到的問題推導出電池熱管理作用及研究方向。

[關(guān)? ? 鍵? ?詞]? 動力電池溫度監(jiān)控;18650電池組;研究

[中圖分類號]? TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]? A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文章編號]? 2096-0603（2020）02-0036-02

隨著國際對環(huán)保的日益重視，各國也開始頒布日益嚴苛的環(huán)保法規(guī)來制約車企所生產(chǎn)的汽車，從而減少汽車排放量。中國擁車數(shù)量過于龐大，所以急需頒布嚴苛排放法令，其目的就是讓現(xiàn)階段所生產(chǎn)的車輛更加環(huán)保，隨著對汽車環(huán)保法規(guī)越來越嚴格，各國都在加緊研制新能源汽車，但是現(xiàn)階段的新能源電動汽車面臨很多問題，其一，是動力電池能量比不高，動力電池的續(xù)航里程普遍偏低，相比較于傳統(tǒng)的燃油車動輒500到600百公里的續(xù)航，電動車續(xù)航優(yōu)勢反而不怎么明顯。其二，動力電池安全性能偏低，盡管動力的電池在汽車布局處于底盤中間，但是在發(fā)生交通事故時電池是很容易受到外界擠壓的，動力電池在使用過程中也會出現(xiàn)內(nèi)部溫度不平均問題，可能會導致動力電池起火甚至爆炸。目前主流的新能源汽車是采用電池模塊，電池是電動車的動力源泉，三元聚合物鋰電池組是目前汽車的動力電池所使用的主要類型。三元聚合物鋰電池由于它獨特的化學性質(zhì)，所以它的形狀可以多種多樣，目前市面上的三元鋰電池形狀普遍就三種類型。圓柱形是三元鋰電池應用最廣泛的形狀，因為圓柱電池生產(chǎn)工藝成熟產(chǎn)品自動化程度高，所以在行業(yè)已經(jīng)是一種標準化產(chǎn)品，具有很高的一致性。

18650電池組主要是由圓柱形鋰離子電池所組成，它具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點，因為這些優(yōu)點是現(xiàn)在其他種類電池無法比擬的，所以大部分新能源車企把18650電池組作為新能源汽車的動力電池，盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池除開比同類型的動力電池相比能量密度高，其重量在相同的電池容量下比同類型的動力電池輕1.5～2倍。18650電池主要由正極、有機薄膜、負極、有機物電解液、絕緣層、電池保護殼等組成，其結(jié)構(gòu)圖如下。

正極——活性材料主要是Li+化合物，由于Li+的化學特性不活潑，所以經(jīng)常用作三元電池的正極。

負極——有效材料主要是石墨烯復合物、Li2TiO3和近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料等。

有機薄膜——主要由高分子塑料隔膜、無紡布、納米纖維膜可以讓Li+通過，但卻是電子的絕緣體。

有機物電解液——一般為有機物體系，如EC、CH3O-COOCH3等材料。

電池保護殼——主要分為兩種類型硬殼和軟殼，硬殼主要是由鋼殼、鋁殼等，軟殼主要是鋁塑膜。

一、鋰電池的工作原理

不同種類Li+電池的工作原理差異性不大，其原理是充電時則是Li+從正極出發(fā)通過電解液和隔膜向負極進行移動的過程。放電時則是相反，Li+從負極出發(fā)向正極移動的過程。鋰離子電池的工作原理也就是指鋰離子電池的充放電原理。

LiFePO4電池充放電原理的電化學反應方程式如下：

正極反應：LiFePO4？圳Li1-xFePO4+xLi++xe-

負極反應：xLi++xe-+6C？圳LixC6

總反應式：LiFePO4+6xC？圳Li1-xFePO4+LixC6

LiFePO4電池在充放電工作的過程中，不會發(fā)生物理變化，同時電解液質(zhì)量也不會造成消耗，鋰離子只是單純在正負極做往返運動。

二、鋰離子產(chǎn)熱原理

新能源汽車在不斷地發(fā)展，電池整體性能也在不斷進步，擁有高能量密度和高輸出功率等優(yōu)點使鋰離子電池成為新能源車的動力電池，Li+在發(fā)生化學反應的過程中會產(chǎn)生熱量，而產(chǎn)生熱量的主要原因是電化學反應中的焦耳熱Qj、反應熱Qr、極化熱Qp以及有機薄膜分解熱組成，有機薄膜分解將釋放大量的熱，這些熱量的產(chǎn)生條件是溫度高于80℃。這些熱量無法在短時間內(nèi)消失，從而會使電池組內(nèi)部溫度急劇升高，極其容易爆炸和燃燒。因此對鋰離子的電池產(chǎn)熱原理的研究具有很廣闊的應用價值。

三、溫度影響鋰離子電池的特性

影響鋰離子電池使用壽命的克星之一就是溫度，如果鋰離子電池工作溫度范圍能保持在20℃～40℃之間的話，那么鋰離子電池具有最高效率和可容得老化特性。鋰離子電池是最容易受到溫度的影響，無論電池溫度是升高或者降低，當溫度過高時，鋰離子電池化學反應速率會變快，電解活性也會隨之增強，與此同時溫度過高也會使鋰離子電池的內(nèi)阻減小，加之鋰離子電池的一系列副反應加劇，鋰電池進行高負荷工作直接導致電池老化速度加快，從而使鋰離子電池的使用壽命進一步衰減，倘若溫度得不到有效的控制任由其持續(xù)升高，電解液就會高溫分解，其結(jié)果就是會引起起火甚至是爆炸。為了安全應對這樣的事故，必須設計高效的冷卻，這樣才能在各種環(huán)境和工作條件下保證單體在最大允許的溫度范圍內(nèi)工作。當鋰離子電池溫度相對較低時，鋰離子電池電解活性也會隨之減弱，從而導致鋰離子化學反應速率減慢，同時鋰離子電池內(nèi)阻也會隨之變大，導致內(nèi)阻做功造成的焦耳熱增加，將會嚴重影響鋰離子電池的循環(huán)壽命，有效放電容量的實際容量會出現(xiàn)不斷衰減的現(xiàn)象，并且電池容量發(fā)生的改變是不可逆的，高溫情況下，鋰離子的循環(huán)次數(shù)明顯小于適宜溫度下循環(huán)次數(shù)。當鋰離子電池電壓由4.2V放電至3.0V時，在環(huán)境溫度為25℃的情況下，可以循環(huán)1500余次，而在環(huán)境溫度0℃的情況下，僅能夠循環(huán)200余次，在環(huán)境溫度為45℃情況下，可以循環(huán)1050余次，在環(huán)境溫度為55℃情況下，循環(huán)不足1000次，環(huán)境溫度對鋰電池的放電容量也有著直接的影響。綜上所述，對動力電池組行之有效的溫度監(jiān)測系統(tǒng)就顯得尤為重要。

四、鋰離子電池溫度監(jiān)測控制系統(tǒng)的功能

移動應用的鋰離子電池需要一個功能強大的電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)，用于確保所需的10年以上的使用壽命，以及各種工作和環(huán)境條件下的全功能接入和可用性。電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)是汽車動力電池的“御用醫(yī)生”，它監(jiān)測電池是否處于一個正常的工作溫度，是否因為溫度過高或者過低影響電池的正常使用，如果出現(xiàn)異常應該如何反饋給駕駛員。以下是鋰離子電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)的功能性概況。

（一）對電池工作溫度狀態(tài)的監(jiān)測與控制功能

電池溫度監(jiān)控系統(tǒng)的核心傳感器就是紅外溫度傳感器，它將負責采集電池表面溫度信息。實時采集每個柱狀電池的溫度數(shù)據(jù)，電池組整體溫度變化可能會對單一柱狀電池溫度產(chǎn)生影響，所以一般用電池組的溫度作為控制的指令信號，通過將事先設定的溫度值與測得溫度值的比較，來決定是否對電池溫度進行冷卻。

（二）對溫度監(jiān)測的功能

電動車在使用過程中，電池溫度傳感就會實時采集電池溫度，然后向溫度管理系統(tǒng)反饋信息。溫度采集的方式是對每個柱狀電池進行溫度監(jiān)測來獲得電池溫度是否存在異常，電池溫度監(jiān)測系統(tǒng)還可以通過電池溫度的變化量來判定電池工作狀態(tài)。而且實時給駕駛員反饋電池溫度信息，避免車輛在行駛過程中由于汽車溫度過高所引發(fā)的事故。

（三）溫度監(jiān)控與預警控制功能

電池溫度傳感器能對動力電池進行實時監(jiān)控，它不單在汽車行駛過程中進行監(jiān)控，還可以在車輛進行停泊充電的時候監(jiān)控電池，并且對電池有可能會出現(xiàn)的情況及時進行數(shù)據(jù)處理并反饋給駕駛員。并且監(jiān)測到電池組如果出現(xiàn)局部溫度過高的話，先提示駕駛員，說明車輛電池局部溫度異常，停止相關(guān)問題電池工作，并且將要降低電池的能耗。此外，電池組若經(jīng)常性出現(xiàn)局部溫度異常還將提醒用戶要更換局部電池，以免影響整體電池組的可靠性和穩(wěn)定性，使后期維護成本降低。

（四）動力電池溫度采集方式

動力電池組采用紅外溫度傳感器進行監(jiān)測，每一柱狀電池都有紅外溫度傳感器的照射，并實時監(jiān)測電池的溫度。選用紅外溫度傳感器的目的是因為紅外傳感器的體積小，能同時對每一個柱狀電池進行單一的監(jiān)測，紅外溫度傳感由于自身比較容易受環(huán)境的影響，所以測量精度相對較低。但是電池正常工作溫度范圍較大，所以輕微的測量誤差對電池實際使用產(chǎn)生不了明顯的影響。

（五）提高動力電池的整體使用壽命

新能源汽車的動力電池組普遍是由規(guī)格統(tǒng)一的圓柱形電池組合而成，其組合方式是通過串聯(lián)或者并聯(lián)的形式相結(jié)合。由于鋰離子電池在工作的過程中會產(chǎn)生熱量，而鋰離子電池本身也是具有熱傳遞特性，所以鋰電池的內(nèi)部材料大都選擇非透明的材料，從而鋰電池內(nèi)部不會出現(xiàn)輻射傳熱的現(xiàn)象。因為鋰離子電池化學特性容易出現(xiàn)對流傳熱和熱傳導。所以為了提高動力電池的使用壽命，我們將通過紅外溫度傳感器來監(jiān)測電池溫度，溫度傳感器會監(jiān)測的數(shù)據(jù)之間反饋EMS，EMS對問題電池進行標記，并停止其工作，從而保障電池工作的高效性。

五、總結(jié)及展望

電池所面對的“頭號敵人”就是溫度問題。所以電池熱管理系統(tǒng)就相當于“統(tǒng)帥”，對電池壽命、可用性和安全性方面至關(guān)重要。實踐中有各種各樣的冷卻和加熱解決方法，還經(jīng)常彼此間結(jié)合使用。主流的電池溫度處理系統(tǒng)有以下幾個能力：其一，設計師對電動車的底盤和電池形狀設計作出專車優(yōu)化設計，使其電池散熱能力進一步加強。其二，目前液體冷卻是行業(yè)公認散熱效率最高的，因為液體的比熱容相對比較高;氣流冷卻方面，電動車在行駛過程中通過給汽車底盤安裝進氣道來給底盤強制通風進行冷卻。其三，電池的制造工藝和制造水平應該嚴格把控，避免問題電池流出。

動力電池熱管理作為軍隊“統(tǒng)帥”，它的職責是指揮戰(zhàn)爭，但是決定戰(zhàn)爭是否能取勝，還關(guān)系“軍師”電池化學的發(fā)展水平。內(nèi)阻的降低和允許的單體最高溫度的提高將降低對冷卻的需求。同時追求提高功率和能量密度可以保持甚至提高冷卻的花費。低溫內(nèi)阻降低以及負溫度電池化學不敏感度的提升將降低加熱功能的必要性。對電池高效和長壽的需求，以及電池安全和任何時刻都保持在最佳溫度的需求，與上述相反，要求未來更有效和功能更強大的加熱功能。

電動化驅(qū)動的第一代汽車的研發(fā)重點還停留在動力電池本身層面上，未來幾年整個熱管理的優(yōu)化以及各個部件相互協(xié)調(diào)會成為焦點。新開發(fā)的技術(shù)如熱泵的使用提供了新的機會并且?guī)椭岣咝屎碗娦谐汤锍?。與汽車類似，市場需求和特定使用環(huán)境不同，也將產(chǎn)生出各自迥異的電池冷卻和加熱方法。重要的是在整個系統(tǒng)中找到一個在成本、安裝空間、重量、安全性和效率之間的平衡點。

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編輯 張 慧

本文系項目“佛山市新能源汽車技術(shù)應用科研基礎(chǔ)平臺”（項目編號：2017AG100151）的研究成果。