低温条件下锂离子电池电、热性能研究

锂离子动力电池系统在低温条件下能量密度和功率密度降低,影响车辆的动力性能和续航里程。针对此问题,文章选定电池供应商提供的锂离子电池模块,根据目前国标和实际工况对电池系统的要求,采用试验的方法得到了电池模块表面温度随不同环境温度、不同充放电状态以及行驶工况下的变化规律。结果表明,随着环境温度的下降,放电平台、放电容量都会变小,而温升会变大;在低温状态下放电平台会经历一个"波谷"阶段;为了保证低温下电池的正常使用,必须对电池进行热管理设计。本文研究结果可为动力电池系统结构设计和热管理设计提供技术支撑。     

直链烷基醚对磷酸铁锂电池性能的影响研究

为了提升磷酸铁锂电池的低温性能,本文在常规EC(碳酸乙烯酯)/DMC(碳酸二甲酯)/EMC(碳酸甲乙酯)(1:1:1)电解液配方(Base)的基础上,引入了20%(体积比)的新型醚类有机溶剂。研究了此类溶剂对磷酸铁锂电池性能的影响,发现2#醚类溶剂在电解液中具有很好的化学稳定性,并且2#醚类溶剂的加入能够大幅度提高电解液的电导率,EIS测试表明欧姆阻抗和电化学转移阻抗均有降低。加入2#醚的电池常温1 C放电容量达96.3 m Ah/g,-25℃低温放电容量达99.3 m Ah/g,放电容量保持率为71%;而Base电解液放电容量保持率为45.7%,表明该种醚类溶剂的加入使电池低温放电性能大幅提高。     

车用锂离子电池放电区间与容量衰减关系的研究

锂离子电池寿命通常与电极材料、充放电倍率、放电深度、放电区间和使用环境温度等因素有关。本文中针对一款车用的锂离子电池,研究放电区间对其容量衰减的影响,并通过试验测得的电量增量曲线分析电池的衰减机理,明确电池锂离子和电极活性材料的损失均是导致不同放电区间下容量衰减的因素。最后,利用放电曲线重构的方法,定量分析了容量衰减与可用锂离子和正负极活性材料损失量的关系。     

锂离子电池组散热设计及送风策略

通过实验研究了锂离子电池1C倍率放电,20℃自然对流情况下的温升特性。测得了20℃环境温度下电池的充放电内阻特性,并根据某品牌18650型锂离子电池的物性参数以及实验测得的内阻数据建立了电池单体仿真模型,仿真计算了与实验同工况下的温度分布情况,最大误差4.9%。设计了一种包含480节电池的并行通风空气冷却散热结构,并通过正交试验进行了优化,得到了进出风孔距电池的最小距离1mm,上挡板距离电池的最小距离1mm,下挡板距离电池的最小距离1mm的最优结构,使电池组的最大温升下降了5.71℃,最大温差降低了5.06℃。并基于最优结构给出了120s后每60s改变送风方向的往复送风策略,使电池组即使在40℃、2C放电的恶劣工况下也能够工作在25℃-40℃,电池单体温差5℃以下的工作环境中。     

电动汽车锂离子电池的生热特性

对锂离子电池生热特性的研究是电动汽车动力电池热管理设计的基础。文章以电动汽车用11A·h电池单体为例,进行有限元建模分析,比较了它在不同环境温度下的生热特性。经过试验验证,测试结果与仿真分析相符合,该电池在环境温度为-20～40℃时以1C放电终止,温升为20℃左右。指出由于该电池推荐工作温度为30～55℃,因此使用时电池外部应配有加热系统;当电池放电倍率始终小于1C时,可不配置强制冷却系统。     

温度对磷酸铁锂电池性能的影响

主要从放电容量、放电中值电压、放电能量三个方面研究了低温阶段(25℃至-20℃)与高温阶段(25℃至60℃)两阶段温度对磷酸铁锂电池性能的影响,同时还对比了低温(-20℃)充放电与常温充电低温放电两种情况下放电容量,最后考察了48V/180Ah电池组(15串)在充放电过程中电池组内不同区域的温度场分布情况。实验结果表明:对于实验的样品,低温对电池影响较大,-20℃是其低温坎;高温下电池性能变化不明显,温度50℃以上,电池性能开始下降,推荐使用温度范围0℃～50℃;常温充电相比低温充电其放电容量仅提升10%;电池组在使用过程中,最内部的单体与最外面的单体温度差异可达12℃。     

电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展EI北大核心CSCD

低温环境下,电动汽车锂离子电池存在可用容量降低、充电困难和循环寿命衰减等问题,严重制约了锂离子电池的应用,因此,确保锂离子电池在合适的温度范围内运行至关重要。电池脉冲加热技术具有加热速率快、温度均匀性好和系统结构简单等优势,是解决锂离子电池低温应用难题的有效手段。本文中从脉冲加热方案、脉冲控制参数和脉冲加热策略3个方面对脉冲加热技术的研究进展进行了综述。首先,介绍现有脉冲加热方案优劣势,其次,总结不同脉冲控制参数下锂离子电池的温升和容量衰减特性,最后,对比不同脉冲加热策略对锂离子电池低温性能的影响,指出脉冲加热技术未来发展的方向。     

磷酸铁锂电池低温电解液开发及性能研究

本文研究了磷酸铁锂电池低温电解液的溶剂配方,确定了锂盐的浓度。通过优化溶剂配方,引入丁酸乙酯(EA)、碳酸丙烯酯(PC)等低温溶剂开发了低温电解液,提高了低温电导率并降低了电解液体系的冰点。同时制作扣式电池测试了研究了氟代碳酸乙烯酯(FEC)作为低温电解液添加剂对负极半电池的影响,结果表明界面阻抗大大降低。采用10Ah全电池对低温电解液的性能进行测试,结果表明循环和倍率性能优异,-20℃@5.5C倍率放电容量保持率达46%。     

大倍率放电时电动汽车用锂离子电池的热性能

为保证锂离子动力电池安全、可靠和高效的运行,实验研究了其在大倍率放电时的热性能。实验中,对于一款商业电动车用3.2 V、50 Ah锂离子电池,用充放电测试仪和温湿度巡检仪,控制放电倍率为1C~3C(50~150 A)。结果表明:电池放电倍率越大,电池两端工作电压平台越低,电池放电量越小,电池表面的温升率越大。当放电倍率达到3C(150 A)时,电池表面温度超出其安全工作温度,因而,锂离子动力电池在大倍率放电时,需要为其增加散热设备。拟合了一组用于计算不同放电倍率下电池的瞬时产热量的经验公式。这些公式可用于锂离子动力电池的辅助散热设备的设计和选择。     

蜂巢式液冷电池模块传热特性的试验研究

为4 A·h的21700型锂离子电池研发了蜂巢式液冷电池模块,并通过搭建的试验平台测定其充/放电过程的传热特性。结果表明:在25℃环境温度下,0.5C恒流恒压充电和1C恒流放电过程中,电池模块的最大温差均被控制在2℃以内;40℃环境温度下,1C恒流放电过程中,当冷却液流量大于1 L/min时电池模块的最大温差能保持在所要求的5℃以内。说明蜂巢式液冷电池模块冷却性能优良,可为未来电池热管理方案的设计提供技术支撑。     

电池管理系统里的电池健康评估和寿命预测

本文对锂离子电池的应用特性进行了总结,分析了电压、电流、温度三大参数对锂离子电池健康和寿命的影响,尤其是充电截止电压,化成电流和高温情况对电池容量的影响。以不同材料之间的比较试验为基础,重点分析了高充电截止电压,充电电流和高温对材料稳定结构的破坏,从而引发电池循环寿命降低的原理。最后基于电池使用中放电电流和环境温度应力为参数,进行了基于电压、电流、温度的锂离子电池循环寿命预计模型研究,得到锂离子电池循环寿命预计基础模型,为混合动力汽车锂电池3参数与寿命关联模型构建提供了重要的研究基础。     

锂动力电池内阻影响因素的实验研究

锂动力电池内阻是衡量电动汽车用电池性能的一个重要参数。本文中研究了不同环境温度、放电倍率和放电深度下的电池内阻随循环次数而变化的规律。结果表明,电池内阻与循环次数之间呈幂指数关系。电池内阻变化率与环境温度之间近似于二次函数关系,当环境温度为20℃时,电池内阻及其随循环次数的变化率均最小;电池内阻变化率随放电倍率的增大而增大,当放电倍率为1C时,电池内阻变化率基本上不随循环次数而变化,而当放电倍率为1.5C和2C时,电池内阻变化率随循环次数增加而明显增大;放电深度为25%和50%时,电池内阻变化率随循环次数的变化曲线相近,当放电深度达到100%时,电池内阻变化率显著增大。单次循环放电中,放电深度为0~80%时,电池内阻随放电深度的变化较小,当放电深度为80%~100%时,电池内阻随放电深度的增加而急剧增加。     

动力锂离子电池温度场的计算机仿真分析

针对放电过程中,锂离子电池生热和散热问题,利用有限元分析软件ANSYS/Fluent,模拟分析锂离子电池在不同对流换热系数和不同放电倍率条件下的三维温度场分布情况。结果表明,锂离子电池温度场分布情况与对流换热系数和放电倍率存在一定关系。     

电动汽车用锂离子电池生热速率模型

首先在考虑锂离子电池极片中反应电流密度、活性物质浓度等参数空间差异的前提下,建立了电池热生成速率的数学模型。然后基于模型对锂离子电池在不同充放电电流和荷电状态(SOC)下的生热速率进行了仿真。结果表明:可逆热与非可逆热的生成速率均随充放电电流的增大而增大;SOC的变化主要影响可逆热的生成速率,对非可逆热的生成速率则无显著影响;锂离子电池在相同SOC和电流下进行充放电时,非可逆热的生成速率基本相等且均表现为放热,可逆热的生成速率也基本相同但分别表现为吸热和放热。最后在Arbin台架上测量了锂离子电池以不同电流进行恒流充电、恒流放电和循环交替充放电时电池温度的瞬变过程,并与相应工况下电池温度的仿真结果进行了对比。结果表明:所建立的生热速率模型能合理模拟锂离子电池温度的动态变化;锂离子电池持续进行充放电时可逆热对电池的温度变化有较大影响,尤其在电池充放电电流较小时更为明显,但锂离子电池在某一SOC附近交替充放电时可逆热对电池的温度变化则无明显影响。     

低温对纯电动汽车的影响

汽车行业“新四化”的推进离不开对电动汽车在极端环境下的适应性研究。文章从车载电池的角度,分析出低温下锂电池的放电端电压和容量都将减小,而电池内阻增大,并且推导出纯电动汽车的续驶里程与驱动电池的放电端电压和容量成正比,与电池内阻成反比,从而定性分析出低温将减小纯电动汽车的续驶里程。最后利用Cruise软件进行整车仿真,得出在-15℃的循环工况条件下,纯电动汽车的续驶里程较常温,下降39.48%,而在60 km/h等速工况下续驶里程减小41.11%。     

电动汽车锂离子电池建模和剩余容量估计

建立锂离子电池的非线性数学模型,计算了模型参数,得到电动汽车用锂离子电池荷电状态的合理控制范围。提出一种估算锂离子电池剩余容量的方法。结果表明,所建的数学模型能很好描述锂离子电池各种工作状态,所提出的剩余容量估计方法为锂离子电池的寿命预测提供了依据。     

基于电化学热耦合模型的电动汽车电池模组热特性研究

为研究电池组的排列与布置方式对电池热特性的影响,本文中以18650锂离子电池为研究对象,建立了单体电池的电化学热力学耦合模型。利用模型仿真和实验测量获得了不同放电倍率时的电池表面温度随放电容量的变化关系,实验数据与仿真数据基本吻合,模型准确。基于单体耦合模型,分析了6×5动力电池模组的不同排列与布置方式下的热特性。结果表明:间距太小或太大均会使平均温度增加,本案例电池间距24 mm时平均温度最低;间距越大,温差越小,温度分布均匀性越好;间距一定,交叉排列散热效果优于对齐排列,且空间利用率更高。电池的排列和间距对电池散热有重要影响,锂离子动力电池组设计过程中应充分考虑。     

汇流排对电池模组温度与电流均衡性的影响分析和实验研究

对某电动汽车电池模组的发热特性进行了热电耦合数值计算,研究了放电倍率、电流进出方式、汇流排接触面积和电流进出位置等对电池模组温度场和电流密度的影响。结果表明:电流放电倍率对温升和汇流排与电池之间的热交换影响较大,高倍率电流充放工况下电池发热分析应该考虑汇流排电热效应的影响。采用电池充放电测试系统对电池模组在不同放电倍率电流工况下的温升情况进行实验研究,在28.5℃的环境温度下,测得最大温升与热电耦合数值计算结果基本一致,说明了数值模拟可很好预测汇流排的温升特性。     

校准量热法测量锂电池比热容和生热率

本文中对利用校准量热法测量18650圆柱电池的比热和生热率进行了研究,它根据电池的温度变化和热损标定,确定锂离子电池的比热容,并测定大倍率放电时的生热率。实验结果表明:电池的比热容随环境温度的升高而增大,两者呈线性正相关。电池在放电过程中的生热具有时变瞬态的特点,电池平均生热率与放电倍率的平方正相关。此外,通过恒定功率生热实验证明了采用校准量热法测量电池比热容和生热率的准确性,方法简单,且实验过程不损坏电池。     

SOC不一致的电池并联性能研究

此文从实验角度考察了当SOC状态不一致的两电池(0%/100%)并联时并联搁置阶段、放电阶段以及放电结束后的静置阶段的干路电压及支路电流变化情况,并比较了并联充放电与单体单独充放电的放电容量间的差异。实验结果表明:当开路电压相差较大时,其接触时的瞬间电流非常大,此情形可能会对电池造成伤害,因此应尽量避免开路电压相差较大的电池直接并联;在并联搁置时,电压较高的电池会对电压较低的电池进行充电,起到自我均衡的作用;并联恒流放电过程中,经过并联单体的支路电流不断变化;并联放电结束后,两电池之间仍然在相互充电以达到电压平衡;无论并联整体放电还是并联后单体单独放电,其容量均与单体独自放电容量相当。SOC不一致电池并联不会对容量产生不利影响。