绝缘油浸没预热NCM811...电池的热特性及放电参数改善_鲁南.pdf

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 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 environment 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 difference 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 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 reach 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-temperature 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 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