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低溫改進(jìn)型自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)研究介紹

2021-03-10 21:55:01·  來源：熱管理文摘精選  作者：漫漫自由路  
　
來源期刊：Electrochimica Acta 本文介紹的這種改進(jìn)型自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)與之前那篇“全天候自加熱鋰電池技術(shù)介紹”稍有不同，如下圖1所示，鎳鉑片一端連接負(fù)極耳，另一端伸出電池外部而成為第三極耳，即激活端ACT，而自加熱激活開關(guān)置于正極耳與第三極耳之間。
來源期刊：Electrochimica Acta
本文介紹的這種改進(jìn)型自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)與之前那篇“全天候自加熱鋰電池技術(shù)介紹”稍有不同，如下圖1所示，鎳鉑片一端連接負(fù)極耳，另一端伸出電池外部而成為第三極耳，即激活端ACT，而自加熱激活開關(guān)置于正極耳與第三極耳之間。當(dāng)自加熱激活開關(guān)閉合的時(shí)候，電流通過鎳鉑而產(chǎn)生熱量來加熱電池，此時(shí)鋰電池處于自加熱模式；當(dāng)自加熱激活開關(guān)斷開的時(shí)候，電流不通過鎳鉑，此時(shí)鋰電池處于正常模式。該優(yōu)化之后的自加熱鋰電池理論上當(dāng)處于自加熱模式時(shí)可以將電化學(xué)能100%轉(zhuǎn)化為熱能而實(shí)現(xiàn)更快速加熱電池的目的。
 
圖1 改進(jìn)型自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1的改進(jìn)型自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)簡化為圖2所示的電路原理圖。
 
圖2 電路原理 示意 圖

除了以上的優(yōu)化之外，本文的改進(jìn)結(jié)構(gòu)還將單片鎳鉑增加為雙片鎳鉑，如下圖3（c）所示。這樣優(yōu)化的目的主要是為了使的自加熱電芯溫度均勻性更佳，加熱速率更快。其鎳鉑電阻與溫度的關(guān)系如下圖3（d）所示，基本上成45℃線性關(guān)系。
 
圖3 雙片鎳鉑結(jié)構(gòu)以及其電阻與溫度的關(guān)系

  該原文的作者還做了單片鎳鉑自加熱電池與雙片鎳鉑自加熱電池的試驗(yàn)對比研究分析。首先看看 -20 ℃自加熱工況對比試驗(yàn)結(jié)果，如下圖 4 所示，圖 4 （ a-c ）展示了 -20 ℃工況雙片鎳鉑自加熱電池的電壓、電流、溫度變化結(jié)果，圖 4 （ d-f ）展示了 -20 ℃工況單片鎳鉑自加熱電池的電壓、電流、溫度變化結(jié)果。從圖 4 中可以看出，電芯電壓由于自加熱起始階段的加熱電流達(dá)到 8C 而開始迅速下降，無論幾片鎳鉑，電壓、電流變化趨勢一致，但雙片鎳鉑結(jié)構(gòu)的溫度變化曲線比單片的更陡，自加熱時(shí)間（ -20 ℃ →0 ℃）只需要 12.5s ，相比單片結(jié)構(gòu)提升約 56% 。
 
圖4 -20℃工況單片/雙片鎳鉑自加熱電池自加熱試驗(yàn)結(jié)果

針對自加熱過程中的功率來源和占比也進(jìn)行了試驗(yàn)研究，-20℃工況下的結(jié)果如下圖5所示。鋰電池自加熱能量主要來自電化學(xué)能和內(nèi)阻發(fā)熱，其對應(yīng)的公式分別(Voc-Vcell)*I和Vcell*I。從圖5中可以看出，來自鎳鉑內(nèi)阻發(fā)熱的加熱功率一直占據(jù)主導(dǎo)地位，在鋰電池自加熱結(jié)束時(shí)刻，雙片、單片結(jié)構(gòu)來自鎳鉑內(nèi)阻發(fā)熱的加熱功率占總功率比例分別為77%和85%。
 
圖5 -20℃工況自加熱鋰電池的加熱功率和占比分析

而-30℃工況和-40℃工況試驗(yàn)結(jié)果與圖4、圖5很類似，此處就不展示，可以查看原文獻(xiàn)。
經(jīng)過如上系列試驗(yàn)之后，原文獻(xiàn)作者進(jìn)一步總結(jié)歸納了不同環(huán)境溫度下雙片與單片鎳鉑的自加熱鋰電池結(jié)構(gòu)的自加熱時(shí)間與能耗。對于雙片鎳鉑而言，-30℃、-40℃工況的自加熱時(shí)間分別僅需19.2s和 29.4，分別比單片鎳鉑的結(jié)構(gòu)減少約28%和21%；-30℃、-40℃工況的自加熱能耗分別為4.1%和5.4%，分別比單片鎳鉑的結(jié)構(gòu)降低約22%和18%。
 
圖6 自加熱時(shí)間和自加熱能耗的對標(biāo)分析

圖7研究結(jié)果展示了不同溫度工況下，自加熱電芯表面溫度與鎳鉑溫度的變化趨勢情況，從圖中可以分析出，無論何種溫度工況，鎳鉑溫度的溫升速度均普遍高于電芯表面溫升。
 
圖7 自加熱電芯表面溫度與鎳鉑溫度變化
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原文標(biāo)題：Rapidself-heating and internal temperature sensing of lithium-ion batteries at lowtemperatures
原文作者：GuangshengZhang, Shanhai Ge, Terrence Xu…
來源期刊：Electrochimica Acta
翻譯：漫漫自由路
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