欢迎访问锂电网(li-b.cn),锂电产业链服务全平台!
2020年11月24日   星期二    |  广告单价 |  锂电资讯
首页 > 资讯 > 学术 > 交流电自加热对锂离子电池的影响策略分析

交流电自加热对锂离子电池的影响策略分析

来源:电子发烧友 | 作者:admin | 分类:学术 | 时间:2020-10-22 | 浏览:2538
文章顶部

锂电网讯:温度对于锂离子电池的性能会产生显著的影响,低温会引起电解液粘度升高,电导率下降,电极的界面电荷交换阻抗的增加,从而导致锂离子电池在低温下的极化显著增加,引起电池性能下降。特别是在充电工况下,负极极化增加会导致负极发生析锂,从而引起库伦效率降低,甚至发生安全事故。因此动力电池在低温工况下使用时需要对电池进行加热,以改善电池的性能,锂离子电池的加热方法总的来看可以分为两大类:外部加热和内部加热,其中外部加热是将外部产生的热量通过对流、传导等方式传导到电池之中,这种加热方式由于存在“漏热”,因此效率较低,还会增加系统成本,而内部加热则是直接在电池内部产生热量,电池“漏热”极少,加热效率较高,电池内部温度梯度小,因此近年来得到了广泛的关注。

北京理工大学的Lei Zhang(第一作者)和ZhenpoWang(通讯作者)等人对交流电自加热对锂离子电池的在低温下的加热效果进行了研究,研究表明通过该方法可以在5min之内将电池从-20℃加热到0℃以上,并且不会对电池的性能产生显著的负面影响。

锂离子电池的内部加热方式目前主要分为两大类,其中一类为王朝阳开发的内部金属箔电阻加热方式,具有加热速度快的优势,但是会增加电池的成本,而另外一种方式则是通过交变电流的方式对电池进行加热,这种策略的主要优势是不需要增加额外的组件,系统成本较低。

交变电流加热方式中影响电池加热效果的主要是交变电流的振幅和频率,实验中作者对于频率和振幅的选择进行了详细的研究,以获得最佳的加热效果。实验中作者采用的为2.85Ah的18650电池,电池的基本信息如下表所示。

锂电池1.jpeg

在实验开始之前,作者首先采用ARC设备对电池的比热容进行了测量,由于ARC设备仅能够在室温以上进行工作,因此作者根据温度与比热容的线性关系推导了电池在低温下的比热容。

锂电池2.jpeg

根据能量守恒,电池温度变化符合下式1所示的关系,其中t为时间,T为电池温度,Ta为环境温度,c为比热量,m为质量,h为传热系数,S为电池的表面积,对下式1进行求解,可以得到下式2所示的解,从下式2中我们可以根据温度梯度与时间之间的关系曲线的斜率获得电池的热传导系数。

锂电池3.jpeg

实验中采用的测试系统如下所示,主要包括恒温箱、交流电源和电池测试设备,其中交流电源主要用来产生交流电流,电池测试设备主要用来对电池的循环性能进行测试。

锂电池4.jpeg

首先作者对加热用交流电的频率对加热效果的影响进行了分析,电流都采用0.5C,采用不同频率(如下表所示)对电池进行加热。下图展示了不同频率电流的加热效果,从图中能够看到在所有的频率下电池温度都是开始快速升高,随后升高速率降低,这主要是因为随着电池温度的升高,散热速率也在增加,最终产热和散热达到平衡,电池温度也不再增加。同时对比不同频率的加热效果可以看到,随着交流电频率的降低,电池的加热效果明显增加,这可能是因为在较低的频率下电池的阻抗会明显增加,从而增加了电池的产热。但是过低的频率下,可能会引起负极在低温条件下析锂,引起电池容量衰降和安全风险增加,例如作者测试了在5Hz频率下,采用6A的电流将电池从-20℃加热到5℃,重复50次,在25次后电池的容量衰降了2.9%,在50次后衰降了4.6%,可见过低的频率会导致电池的性能出现严重的衰降,因此作者在这里选择了100Hz频率。

锂电池5.jpeg

为了进一步电流对于加热效果的影响,作者采用100Hz的固定频率,分别采用3、6和15A的电流振幅对加热效果进行了测试,从下图所示的测试结果可以看到,在3A和6A的电流下,电池的最高温度分别稳定在了-15℃和-10℃,而在15A的电流振幅下,电池则很快升高到了15℃,可见在大电流振幅能够显著的提升电池的加热效果,但是过大的电流会导致负极在低温下的析锂风险显著增加,因此我们需要在加热效果和避免析锂两个方面达到一个平衡。

锂电池6.jpeg

作者设计了一个等效电路用以模拟电池在交变电流下的产热效果,为了获得等效电路中元器件的具体参数,作者采用交流阻抗分析方法对电池进行了测量.

锂电池7.jpeg

下图为根据EIS测试结果拟合得到的各个零部件的参数

锂电池8.jpeg

电池在工作过程中的极化如下式3所示,其中I为电流,Z为电池的总阻抗,可以采用下式4进行描述,同时为了保证电池不发生过充和过放,我们还需要满足下式5所示的条件,其中Ue为电池上限电压和电池电压(50%SoC)的最大差值,在这里为0.49V。

锂电池9.jpeg

根据EIS的测试结果,以及上述的约束条件,我们可以获得在不同频率和温度下可以采用的最大加热电流(如下图所示),从下图c可以看到在100Hz的频率下,温度与最大加热电流之间呈现线性关系。

锂电池10.jpeg

在采用交流电对电池进行加热过程中,热量主要来自欧姆阻抗,也就是上述的等效电路中的实部(如下式7所示),因此我们可以根据下式8对电池产生的热量进行求解,而采用的最大电流则可以根据上图c中所示的公式获得,为了最大程度的缩短加热时间,作者在这里采用了一个变电流的策略,也就是在低温下采用较小的电流,而在温度升高后则采用较大的电流。

锂电池11.jpeg

下图为采用变电流策略的电池加热效果,从图中能够看到变电流策略中每一步的步长会对加热效果产生显著的影响,总的来说每一步的步长越短,则加热时间越短,例如步长为6s时所需要的时间约为步长为1s时的1.9倍。下表为1s步长,100Hz频率下对电池加热50次对电池性能的影响,可以看到加热25次电池的容量损失为0.3%,内阻增加为0.7%,而加热50次,电池的容量损失为0.5%,电池的内阻增加为1.6%,表明该方法能够在最大化加热速度的前提下,最大限度的减少对电池性能的影响。

锂电池12.jpeg

Lei Zhang的研究表明,通过采用随温度升高而增大的变电流加热策略,可以最大程度的避免自加热对于电池性能的影响,同时有效的提升了电池的加热速率,是一种低成本的高效加热策略。

分享到:

合作机构: ofweek锂电网 | 电池在线网 | 亚太电池展 | 巨典展览 | 德泰中研 | 振威展览 | 亚化咨询 | 知行锂电 | 高工锂电 | 深圳市电源技术学会

关于我们 | 联系方式 | 免责声明 | 人才招聘

版权所有 copyright © 锂电网(li-b.cn) | 粤ICP备18158530号


扫码关注微信
获取更多商机
×