鋰電池內(nèi)短路特性研究*

賈丙碩 許冀陽 孟 妮 茍琦智

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000）

引言

純電動汽車的動力來源為動力電池，安全可靠的電池技術(shù)可以為電動汽車的安全行駛提供有力保障。電池在使用過程中發(fā)生內(nèi)短路會使其內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)急劇上升，出現(xiàn)熱失控或起火爆炸等相關(guān)問題，鋰電池內(nèi)短路已成為制約電動汽車快速普及的關(guān)鍵因素。對鋰電池內(nèi)短路特性進(jìn)行研究并使用合理手段進(jìn)行短路抑制成為愈發(fā)重要的工作；同時建立一套切實可行的鋰電池內(nèi)部溫度監(jiān)測方法也變得至關(guān)重要。在對鋰電池內(nèi)短路特性研究中，各國學(xué)者逐漸積累了大量經(jīng)驗和方法。

1 鋰電池基礎(chǔ)與常見故障分析

1.1 鋰電池工作原理

鋰離子電池內(nèi)部由正、負(fù)電極電解質(zhì)以及隔膜組成，其中磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等為最常見的正極材料，負(fù)極一般是石墨結(jié)構(gòu)類似的碳[1]；具有優(yōu)良化學(xué)穩(wěn)定性以及導(dǎo)電性的鋰離子化合物有機(jī)溶液構(gòu)成了電解質(zhì)，隔膜實現(xiàn)正負(fù)極的分隔從而避免短路問題的發(fā)生[2]，圖1 為鋰電池基本結(jié)構(gòu)與工作原理。

圖1 鋰電池基本結(jié)構(gòu)與工作原理

鋰電池充放電實際就是在不斷發(fā)生氧化還原反應(yīng)的過程，具體充放電過程可以表示為：鋰電池正電極在放電時得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，充電時失去電子進(jìn)行氧化反應(yīng)；負(fù)電極在放電時失電子進(jìn)行氧化反應(yīng)，充電時得電子進(jìn)行還原反應(yīng)。關(guān)系式如下：

正電極：

負(fù)電極：

總反應(yīng)式如下所示：

式中：LiMOy表示常用的鋰金屬的氧化物。

1.2 鋰電池相關(guān)性能參數(shù)

為了便于評價鋰電池的性能，人們通常使用一些參數(shù)對鋰電池性能加以描述，其中電池電壓、內(nèi)阻、容量、溫度以及電池荷電狀態(tài)等參數(shù)最為常用

1）電池電壓

為了方便研究，人們通常使用電池工作電壓、開路電壓以及截止電壓對電池電壓進(jìn)行描述。電池工作電壓用來描述當(dāng)電池正常工作時兩電極之間的電勢差大?。浑姵亻_路電壓表示當(dāng)電池長期放置后兩電極之間的電勢差幾乎不再發(fā)生變化時的電壓，一般開路電壓大于電池工作電壓，開路電壓與電池SOC 有關(guān)。截止電壓表示當(dāng)電池充放電時的最高或最低電壓，當(dāng)電池充放電時達(dá)到截止電壓，電池兩端電壓便不會繼續(xù)上升或下降。

2）電池內(nèi)阻

由于電池內(nèi)部存在電極材料、電解液等，復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造使得電池存在一定內(nèi)阻，電池內(nèi)阻與溫度、內(nèi)部構(gòu)造等因素有關(guān)[3]。

3）容量

將電池釋放所有電能的量來描述電池容量，電池容量受環(huán)境溫度、放電倍率等因素影響。

4）溫度

環(huán)境溫度、表面溫度以及內(nèi)部溫度對電池性能都會產(chǎn)生影響。

5）荷電狀態(tài)（SOC）

電池剩余容量的多少用荷電狀態(tài)SOC 來表示。

1.3 鋰電池充放電特性

鋰電池在頻繁的充放電過程中會出現(xiàn)以下問題：

1）不均衡性

鋰電池在充放電過程中會出現(xiàn)電池不均衡特性，即由于單體電池差異性的原因?qū)е掠行﹩误w電池會出現(xiàn)過充電或過放電的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池變形或者泄露，存在爆炸的隱患。

2）電池老化

隨著充放電次數(shù)的增加，電池會逐漸出現(xiàn)內(nèi)阻增加、容量降低的現(xiàn)象，即出現(xiàn)電池老化的問題。研究發(fā)現(xiàn)電池過充或過放電、使用環(huán)境對電池使用壽命存在較大影響。

3）極化現(xiàn)象

鋰電池的極化表現(xiàn)為鋰電池由于充放電使得電池內(nèi)部鋰離子濃度在短時間內(nèi)出現(xiàn)分布嚴(yán)重不均衡的現(xiàn)象[4]。研究表明鋰電池充放電的電流大小、充放電溫度以及電池內(nèi)部的活性物質(zhì)濃度對鋰電池的極化都會產(chǎn)生極大影響。

4）自放電問題

鋰電池在存放過程中會出現(xiàn)自放電的現(xiàn)象，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加、存放時間的增加等，電池自放電量會逐漸增加[5]。此外電池電極的粒子大小以及電極表面積大小也會對電池自放電產(chǎn)生明顯影響。

2 鋰電池內(nèi)短路特性

2.1 內(nèi)短路電壓特性

鋰電池發(fā)生內(nèi)短路現(xiàn)象時短路電阻主要取決于兩個電極的導(dǎo)電材料以及接觸電阻，因此通過計算可以得到短路電阻：

圖2 內(nèi)、外短路端電壓差異性對比

由上圖可知隨著短路半徑的增加，相同阻值下的內(nèi)外短路電壓差異性越大，因此小短路半徑的情況下內(nèi)外短路電壓差異較為相似。

2.2 內(nèi)短路溫升特性

當(dāng)鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時其內(nèi)部的溫度變化可以表示為：

式中：Cp表示電池的比熱容；m 表示電池質(zhì)量大小；Qj表示電池內(nèi)部產(chǎn)熱量大??；A 表示電池表面積大小；H 表示換熱系數(shù)；Ts-Ta表示電池表面與環(huán)境的溫差。此外電池內(nèi)部產(chǎn)熱大小Qj可以表示為Qj=對于發(fā)生故障的電池其內(nèi)部產(chǎn)熱大小可以表示為

式中：Qi表示由于內(nèi)短路產(chǎn)生的熱值。鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時電池內(nèi)部溫度在短時間內(nèi)會急劇升高，因此對內(nèi)部溫度進(jìn)行合理監(jiān)控能夠有效判斷內(nèi)短路與否。

2.3 內(nèi)短路造成的熱失控特性

依據(jù)經(jīng)驗可知鋰電池發(fā)生內(nèi)短路時會造成局部熱量迅速升高，因此研究電池?zé)崾Э剡^程中電池產(chǎn)熱功率以及功率密度至關(guān)重要[6]，在一系列的短路半徑上面施加5×109W/m3的功率，我們可以得到如圖3 所示的熱失控觸發(fā)時間與發(fā)熱半徑之間的關(guān)系。

圖3 熱失控觸發(fā)時間與發(fā)熱半徑之間的關(guān)系

由圖可知在一定的發(fā)熱功率密度下，熱失控觸發(fā)的時間隨著發(fā)熱半徑的增大而降低，換言之，當(dāng)發(fā)熱半徑小到一定程度時將不再觸發(fā)熱失控。因此大幅度地降低接觸面積可以有效地避免熱失控現(xiàn)象的發(fā)生。

3 熱電耦合模型

3.1 電池SOC 模型

利用安培積分法，在電池充放電過程中實時對充放電電流進(jìn)行監(jiān)測，然后對該段充放電時間積分便可得到該時段內(nèi)的充電或放電量，具體的表達(dá)式為：

3.2 電池內(nèi)部溫度估計

計算電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率大小以及焦耳熱，其中焦耳熱大小計算式如下所示：

式中：R0和Rd表示電池的內(nèi)阻參數(shù)。

另外依據(jù)鋰電池的表面積大小A、對流換熱系數(shù)H 以及電池表面Ts與環(huán)境Ta的溫差大小可以計算出鋰電池與環(huán)境之間進(jìn)行的熱交換Qe大小，具體如下：

依據(jù)電池集總參數(shù)熱模型我們可以得到電池當(dāng)前與上一時刻二者之間的溫度關(guān)系，具體如下所示：

式中：Cp表示電池比熱容大??；m 代表電池質(zhì)量。電池集總參數(shù)熱模型如圖4 所示。

圖4 電池集總參數(shù)熱模型

3.3 單體電池及電池組熱電耦合模型

利用能夠充分反映電池極化特點的二階RC 等效電路模型對鋰電池外特性進(jìn)行模擬，電池溫度值可以依據(jù)熱模型獲得。將得到的溫度值傳遞到等效電路模型以此來獲得最優(yōu)的二階RC 參數(shù)以及電池端電壓和電動勢，然后再利用此時的參數(shù)代入生熱公式計算電池產(chǎn)熱量，最后通過電池?zé)崮Ｐ陀嬎惝?dāng)前時刻的電池溫度，此時就完成了單體電池與等效電路熱電模型的耦合。單體電池模型耦合過程如圖5所示。

圖5 單體電池?zé)犭婑詈夏Ｐ瓦^程

分析相鄰單體電池之間的熱量傳遞與交換方式以及電池?zé)崃可⑹?，主要分?）熱傳導(dǎo)，即電池?zé)崃拷?jīng)導(dǎo)熱裝置傳遞到冷卻裝置，最終散失；2）各個單體電池間的熱量傳遞；3）電池與殼體之間的熱量交換。因此電池模組的熱電耦合模型可以表示為：

式中：Q 表示電池產(chǎn)生的熱量大?。籕c表示單體電池間熱量傳遞的大??；Tf表示冷卻介質(zhì)溫度；Ts，j表示電池溫度；Ta表示環(huán)境溫度；hl為對流換熱系數(shù)；h 表示電池殼體與外界換熱系數(shù)；Aa與Ab分別表示電池與外界空氣及冷卻液的換熱面積；Ml表示冷卻液質(zhì)量。

將等效電路模型參數(shù)代入電池?zé)崮Ｐ偷玫诫姵厣鸁崃看笮?，然后通過計算得到單體電池溫度，按此結(jié)果查取等效電路模型參數(shù)來完成耦合，得到電池組熱電耦合模型，以此計算電池溫度。

4 結(jié)論

電動汽車鋰電池內(nèi)短路問題成為亟待解決的問題，如何對電池內(nèi)部溫度及熱失控進(jìn)行精準(zhǔn)計算是研究電池內(nèi)短路問題的重中之重。本文從鋰離子電池單體和電池模組入手，分析電池內(nèi)短路機(jī)理，基于電池內(nèi)短路時溫度的異常變化數(shù)據(jù)，建立電池內(nèi)部溫度監(jiān)測熱電耦合模型，從而對電池內(nèi)部溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，防止內(nèi)短路現(xiàn)象的發(fā)生。