绝缘油浸没预热NCM811...电池的热特性及放电参数改善_鲁南.pdf
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1、化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 3 期绝缘油浸没预热NCM811动力电池的热特性及放电参数改善鲁南1,王海民1,2,王传伟1,胡学彬1,周建刚3,柳文琴3,赵峰3,孟国栋3(1 上海理工大学能源与动力工程学院,上海 200093;2 上海市动力工程多相流动与传热重点实验室,上海 200093;3 东风商用车有限公司,湖北 武汉 430056)摘要:低温环境严重影响了电池放电性能,综合考虑多种预热方法对电池温度场分布的影响,利用绝缘油浸没加热NCM811电池,测试了不同低温环境下预热过程电池的温升速率、电池表
2、面温差、不同电池剩余容量(SOC)下的电池1C放电时的放电参数。结果表明,NCM811电池低温性能良好,但是预热对于低SOC放电很重要,当SOC低于33.3%时,在20的环境下,不预热则几乎无法放电。预热能明显改善低温下的电池放电性能、减小内阻,在20的低温环境中将电池内部温度预热至0时,其温升速率可以达到0.31/s,对于100%SOC与33.3%SOC的初始电池状态,其对应的电池欧姆内阻分别降低至预热前的39.5%和37.9%,极化内阻则降低至预热前的15.4%和21.1%,即使是33.3%SOC的初始状态,1C倍率放出的容量可以达到充入容量的81.68%。关键词:锂电池;浸没式预热;绝缘
3、油;温升速率;放电容量中图分类号:TK01 文献标志码:A 文章编号:1000-6613(2023)03-1299-09Thermal characteristics and improved discharge parameters of NCM811 traction battery immersed preheated by insulating oilLU Nan1,WANG Haimin1,2,WANG Chuanwei1,HU Xuebin1,ZHOU Jiangang3,LIU Wenqin3,ZHAO Feng3,MENG Guodong3(1 School of Energy
4、 and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2 Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering,Shanghai 200093,China;3 Dongfeng Commercial Vehicle Co.,Ltd.,Wuhan 430056,Hubei,China)Abstract:Low-temperature environmen
5、t seriously affects the battery discharge performance.Considering the influence of various preheating methods on the temperature field distribution of the battery,this paper used insulating oil immersion to heat the NCM811 battery.The temperature rise rate of the battery and the temperature differen
6、ce in the battery surface during the preheating process in different low-temperature environments and the discharge parameters of the battery under distinctive SOC during 1C discharge were tested.The results showed that the NCM811 battery had good low-temperature performance,and preheating was very
7、important for low SOC discharge.When SOC was lower than 33.3%,it was almost impossible to discharge without preheating at 20.Preheating could significantly improve the battery discharge performance at low-temperature and reduce the internal resistance.The rising rate of battery temperature could rea
8、ch 0.31/s when the internal temperature of battery was preheated to 0 研究开发DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2022-0855收稿日期:2022-05-09;修改稿日期:2022-06-21。基金项目:国家重点研发计划(2018YFB0104400)。第一作者:鲁南(1997),男,硕士研究生,研究方向为动力电池热特性分析。E-mail:。通信作者:王海民,教授,博士生导师,主要研究方向为动力电池热电特性测试评价。E-mail:。引用本文:鲁南,王海民,王传伟,等.绝缘油浸没预热NCM811动力
9、电池的热特性及放电参数改善J.化工进展,2023,42(3):1299-1307.Citation:LU Nan,WANG Haimin,WANG Chuanwei,et al.Thermal characteristics and improved discharge parameters of NCM811 traction battery immersed preheated by insulating oilJ.Chemical Industry and Engineering Progress,2023,42(3):1299-化工进展,2023,42(3)in a low-tempe
10、rature environment of 20.For the initial battery states of 100%SOC and 33.3%SOC,the corresponding ohmic internal resistance of the battery decreased to 39.5%and 37.9%after preheating,respectively,and the polarization internal resistance decreased to 15.4%and 21.1%after preheating.Even in the initial
11、 state of 33.3%SOC,the released capacity at the 1C discharge rate could reach 81.68%of the charged.Keywords:Li-ion battery;immersing preheating;insulating oil;rate of temperature rise;discharge capacity低温环境下,电池内部电解液离子电导率降低1,负极石墨颗粒表面固体电解质界面(SEI)膜的电导率减小2,电极电化学反应速率变慢3,锂离子电池面临着放电容量少、放电电压低等问题,针对此类现象,研究者们
12、开发出了内部加热和外部加热两类不同的加热方式。内部加热主要包括交流电加热和交互脉冲电流加热。交互脉冲电流加热需要直流-直流(DC-DC)转换器,转换器一端为电池组,另一端为电池组或者电容器,三者形成闭合回路以实现在充放电过程的加热。Ji等4提出电热耦合模型并使用交互脉冲电流来模拟低温环境下的电池加热过程;电池模块外侧更易与外界环境产生热交换,Vu等5基于温度与SOC的均衡性,使用延迟加热与交互脉冲电流加热的方法,电池模组外侧靠近外部环境的电池和模组内部的电池在加热时会有时间上的先后顺序,以保证电池模组温度的均匀性。然而,此类加热方法不适合在高SOC的情况下使用,否则会增加镀锂的风险;同时该方法
13、还需要复杂的电路和控制系统,这增加了组件的数量和成本6。交流加热在提高电池温度方面也有很好的效果,但是在高SOC或SOC为100%时的电池端电压接近安全电压的上限,因此当在高SOC下应用交流加热方法时,其终端电压容易超过允许电压极限,电动汽车中的电池管理系统(BMS)触发过电压报警信号。相对于内部加热,外部加热的优势在于没有电池SOC的限制,Song等7通过实验验证了空气预热的有效性,Wang等8以插电式混合动力汽车为研究对象,量化了在哈尔滨地区使用空气预热的混动车使用成本。相对于空气,水有着更大的对流换热系数,一般会使用水套或者水冷板,相当于电池系统增加了额外的负重9。Zhang等10通过使
14、用铝板与方壳电池表面接触给电池预热,铝板内缠绕着正温度系数(PTC)电阻丝,电阻丝由外部交流电供电(220V)时,从23.2预热至0.5需要45min。电池温度对电池的充放电性能有显著的影响,内阻变化就是受温度影响较大的物理量之一,随着温度的降低电池的内阻会增加。在充电方面,体现为较快地到达截止电压,电池充电容量低;在放电方面,体现为端电压的快速下降、电压平台的降低(降低输出功率)和更快到达截止电压(放电容量减小)。为了克服内部加热时高 SOC 电压超限问题,尽可能提高外部加热介质与电池之间的热导率,并减轻加热系统的质量,本文将利用绝缘的矿物油直接加热电池,研究其在预热过程中电池的温度变化特性
15、以及电池电参数变化规律,这也是近期研究的热点之一。另外,油浴加热的安全性已经被验证,根据文献11,油浴对于热失控的蔓延有抑制作用,在研究过程中,本文将设计绝缘矿物油加热电池的系统和结构,建立测试平台,探索低温环境下以及预热后的温度变化规律、温升速率、电池容量变化、内阻变化以及电压平台变化,探索其在工程中应用的可行性。1 实验方法1.1 研究对象选取 NCM811 锂离子电池为研究对象,参数见表1。绝缘油主要用于变压器、互感器等电器设备中作为绝缘和导热的介质,这两种性质同样适用于电池的加热。预热目标通常设定在0以上,在此温表1电池基本参数参数电芯型号标称容量/Ah标称电压/V充电截止电压/V放电
16、截止电压/V电芯质量/g电芯尺寸/mm径向热导率kr/Wm1K1数值N21700CB-484.61C3.604.202.5070121711.1612 13002023年3月鲁南等:绝缘油浸没预热NCM811动力电池的热特性及放电参数改善度下,电池的功率和容量可以恢复13,然而预热时电池存在温度梯度,当表面温度达到放电标准时,内部温度小于此标准,因此,本文采集了内部温度作为预热后电池放电的依据,对比了预热前后的放电容量和电池内阻。1.2 测试系统与油浸没方式设计测试系统如图1所示,由电池组件、绝缘油恒温装置、绝缘油循环供应油供应系统、冷冻箱以及充放电装置组成。绝缘油恒温装置将绝缘油的温度控制在
17、301.5,经油泵输送入位于冷冻箱内的电池组件中,然后流回恒温室绝缘油形成循环,由数据采集仪读取各测点处温度。测试分为两项,Test#1为电池预热试验,目的是获取30的绝缘油给电池预热时,电池内部温度随时间变化情况。为测量电池内部温度,在电池底部(负极处)钻小孔,内置热电偶内置于中心处,然后密封小孔。Test#2由2个步骤组成,第1步采取与Test#1相同的方式预热,内部温度到达预热目标,即0、5或10时停止加热,完成此步骤后进入第2步,对预热电池的放电操作。Test#1 与 Test#2 的测点布置如图 2(a)、(b)所示,电池底部需要与圆管底部完全粘连,电池的圆周面和顶部与绝缘油直接接触
18、。两者均以电池的 底部圆心为原点建立直角坐标系,电池内部中心位置处的热电偶坐标为 P(0,0,35),电池表面 3 个热电偶的坐标为A(0,10.5,65)、B(0,10.5,35)、C(0,10.5,5)。Test#1与Test#2的电池预热方式均为油浸没式,且两部分实验所用电池相同,电池与容纳电池的腔体的相对位置也相同。1.3 测试工况Test#1:将低温环境分别设置为0、10、20,将电池置于对应的低温环境中4h,直至电池达到稳态且与低温环境无热量交换。以30的绝缘油流过电池,体积流量为5mL/s,记录电池内部温度随时间的变化情况,电池内部温度达 0、5、10的时间为1、2、3。Test
19、#2:首先研究低温环境对放电性能的影响,设置低温环境分别为0、10、20,电池静置后,研究初始状态分别为 100%SOC 和33.3%SOC时放电性能,33.3%SOC在20的低温环境下可能无法放电;然后研究在Test#1基础上利用绝缘油预热至电池内部温度为0、5、10后的放电性能。图1实验测试系统1计算机;2数据采集仪;3绝缘油恒温室;4泵;5Test#1;6Test#2;7实物;8冰箱;9充电柜图2电池内部及表面的热电偶布置 化工进展,2023,42(3)2 结果与讨论2.1 浸没油加热过程中电池内部温升预热时电池内部温度变化情况如图3所示,设定预热后的电池内部目标温度为0、5、10,以1
20、0环境温度下的实验工况为例,达到预热目标的时间分别为60s、80s、101s,其余环境温度下达到预热目标的时间见表2。环境温度越低则达到预热目标所需要的预热时间越长,0的环境温度下,电池内部初始温度为0,因此无需预热,这些数据将为Test#2的预热时间提供依据。从图4中可以看出,3种低温工况下电池温升速率达到最大值的时间接近,这一现象值得深入研究。温升速率的最大值与毕渥数Bi有关,定义为电池的过余温度,J0和J1分别代表0阶贝塞尔函数与1阶贝塞尔函数,无限长圆柱体的解析解如式(1)所示14。=n=12J1()n J0()nRnJ20()n+J21()ne-2n Fo=n=1ane-2n Fo(
21、1)温升速率出现驻点时,则过余温度的二阶导等于0,于是有式(2)。2=(Fo)2n=1ane-2n Fo4n=0(2)其中仅有傅里叶数Fo与时间有关,且对时间求导之后为常数,对于圆柱体而言,特征值n由Bi确定,如式(3)所示。Bi=nJ1()nJ0()n(3)为此,需要计算电池在导热过程中的Bi,电池的温升来源于与绝缘油的热交换,换热过程中对于电池有式(4)。mcpdT()d=hATf-T()(4)式中,m 为电池质量,m=0.06667kg;cp为电 池比热容,cp=1050J/(kg);h 为对流换热系数,W/(m2K);A为换热面积;Tf为绝缘油的温度。由于图4中温升速率达到最大值的时间
22、都小于80s,因此取前80s之内的数据进行拟合从而计算绝缘油与电池的对流换热系数,0、10、20的环境下,预热过程中温度分布曲线分别如式(5)式(7)所示。T()=30-34.58exp(-0.006974)(5)T()=30-47.13exp(-0.00747)(6)T()=30-57.49exp(-0.005819)(7)利用式(4)求得20、10、0环境下对应的对流换热系数分别为88W/(m2K)、108W/(m2K)、105W/(m2K),这表明在此时间区间内,20环境下的换热系数较小,10和0环境下的换热系数接近,再根据式(8)。Bi=krh(8)式中,为特征长度;kr为径向的热导率
23、。计算出20、10和0的Bi分别为0.80、0.97和0.95,对 应 的 最 大 温 升 速 率 分 别 为 0.31/s、0.27/s、0.18/s。如果Bi相等时,则式(3)同解,图3低温环境下电池内部温升表2电池内部温度达到预热目标所需要的时间预热目标温度/0510环境温度/010200102001020时间/s6097477711573113138图4低温环境下电池内部温升速率 13022023年3月鲁南等:绝缘油浸没预热NCM811动力电池的热特性及放电参数改善即温升速率在同一时刻到达最大值,从实际测量数据上看,由于三者的Bi很接近,所以,达到最大温升速率的时间也很接近,分别为72
24、s、66s和64s。2.2 预热过程电池表面温度变化在表2中,记录了电池内部温度达到预热目标所需要的时间,以环境温度为20、电池内部预热目标温度为10的条件下实验工况为例,说明预热过程中电池表面温度变化情况,实验结果如图5所示。图中TA、TB、TC分别代表图2(b)中A、B、C三点处的热电偶所记录的温度数据,A点离热流体入口最近,因此在预热过程中,温升速度最快,温度最高,随着热流体流过电池的冷表面,在电池长度方向上会存在温度梯度,到达C点时绝缘油的温度会降低,因此预热结束后电池A点与C点的温度会有较大差异,除此之外,C点的温度小于A、B两点温度也与实验装置的结构有关,电池底部紧贴住腔体内表面,
25、而腔体暴露在低温环境中,当电池被绝缘油预热时,电池吸收的热量有一部分从实验装置底部耗散,因此温度相较于A、B两点会更低。根据文献15,电池合适的工作温度为 1535,预热结束后,TA的温度为17.4,然而此时TB与TC的温度小于15,因此工程应用中应选择合适的热电偶布置位置,对于同一块电池,不同的布置位置电动车的热管理系统会有相反的判定结果,即预热是否结束。定义T1为A点与B点的温差,T2为C点与B点的温差,在此例中,T1=3.6、T2=3.0,其余测试工况下的温差如表3和表4所示。为了提高电池的可靠性和一致性,电池的工作温度应当小于45且电池之间的温差应小于516,如果电池模块中的电芯之间存
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