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低温改进型自加热锂电池结构与试验研究介绍

2021-03-10 21:55:01·  来源：热管理文摘精选  作者：漫漫自由路  
　
来源期刊：Electrochimica Acta 本文介绍的这种改进型自加热锂电池结构与之前那篇“全天候自加热锂电池技术介绍”稍有不同，如下图1所示，镍铂片一端连接负极耳，另一端伸出电池外部而成为第三极耳，即激活端ACT，而自加热激活开关置于正极耳与第三极耳之间。
来源期刊：Electrochimica Acta
本文介绍的这种改进型自加热锂电池结构与之前那篇“全天候自加热锂电池技术介绍”稍有不同，如下图1所示，镍铂片一端连接负极耳，另一端伸出电池外部而成为第三极耳，即激活端ACT，而自加热激活开关置于正极耳与第三极耳之间。当自加热激活开关闭合的时候，电流通过镍铂而产生热量来加热电池，此时锂电池处于自加热模式；当自加热激活开关断开的时候，电流不通过镍铂，此时锂电池处于正常模式。该优化之后的自加热锂电池理论上当处于自加热模式时可以将电化学能100%转化为热能而实现更快速加热电池的目的。
 
图1 改进型自加热锂电池结构

根据图1的改进型自加热锂电池结构简化为图2所示的电路原理图。
 
图2 电路原理 示意 图

除了以上的优化之外，本文的改进结构还将单片镍铂增加为双片镍铂，如下图3（c）所示。这样优化的目的主要是为了使的自加热电芯温度均匀性更佳，加热速率更快。其镍铂电阻与温度的关系如下图3（d）所示，基本上成45℃线性关系。
 
图3 双片镍铂结构以及其电阻与温度的关系

  该原文的作者还做了单片镍铂自加热电池与双片镍铂自加热电池的试验对比研究分析。首先看看 -20 ℃自加热工况对比试验结果，如下图 4 所示，图 4 （ a-c ）展示了 -20 ℃工况双片镍铂自加热电池的电压、电流、温度变化结果，图 4 （ d-f ）展示了 -20 ℃工况单片镍铂自加热电池的电压、电流、温度变化结果。从图 4 中可以看出，电芯电压由于自加热起始阶段的加热电流达到 8C 而开始迅速下降，无论几片镍铂，电压、电流变化趋势一致，但双片镍铂结构的温度变化曲线比单片的更陡，自加热时间（ -20 ℃ →0 ℃）只需要 12.5s ，相比单片结构提升约 56% 。
 
图4 -20℃工况单片/双片镍铂自加热电池自加热试验结果

针对自加热过程中的功率来源和占比也进行了试验研究，-20℃工况下的结果如下图5所示。锂电池自加热能量主要来自电化学能和内阻发热，其对应的公式分别(Voc-Vcell)*I和Vcell*I。从图5中可以看出，来自镍铂内阻发热的加热功率一直占据主导地位，在锂电池自加热结束时刻，双片、单片结构来自镍铂内阻发热的加热功率占总功率比例分别为77%和85%。
 
图5 -20℃工况自加热锂电池的加热功率和占比分析

而-30℃工况和-40℃工况试验结果与图4、图5很类似，此处就不展示，可以查看原文献。
经过如上系列试验之后，原文献作者进一步总结归纳了不同环境温度下双片与单片镍铂的自加热锂电池结构的自加热时间与能耗。对于双片镍铂而言，-30℃、-40℃工况的自加热时间分别仅需19.2s和 29.4，分别比单片镍铂的结构减少约28%和21%；-30℃、-40℃工况的自加热能耗分别为4.1%和5.4%，分别比单片镍铂的结构降低约22%和18%。
 
图6 自加热时间和自加热能耗的对标分析

图7研究结果展示了不同温度工况下，自加热电芯表面温度与镍铂温度的变化趋势情况，从图中可以分析出，无论何种温度工况，镍铂温度的温升速度均普遍高于电芯表面温升。
 
图7 自加热电芯表面温度与镍铂温度变化
_________________________________________
原文标题：Rapidself-heating and internal temperature sensing of lithium-ion batteries at lowtemperatures
原文作者：GuangshengZhang, Shanhai Ge, Terrence Xu…
来源期刊：Electrochimica Acta
翻译：漫漫自由路
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