電池 溫升
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電池 溫升的實例教程
在產品設計階段，進行溫升試驗是確保產品安全穩定工作的重要環節。
溫升試驗定義
溫升試驗是一種評估電子電氣設備在運行中各部件相對于環境溫度升高情況的測試。這種測試對于新產品或在生產工藝、主要部件材料有重大變更，以及損耗值超出標準的產品都是必要的。
溫升試驗的目的
溫升試驗旨在評估電器產品及其部件在溫度變化下的工作適應性，確保產品在實際使用中的安全性和可靠性。它有助于檢測產品是否滿足相關標準要求，并評估產品在溫度變化條件下的耐久性和可靠性。
溫升測試方法
溫升測試主要有兩種方法：熱電偶法和電阻法。
1. 熱電偶法：通過將熱電偶粘貼在設備部件表面，測量并計算出部件的溫升。在應用此方法時，需要考慮熱電偶、溫度測量儀器、膠黏劑、測試環境條件以及測試工程師操作水平等因素，以確保測試的準確性。
2. 電阻法：利用電機繞組電阻值隨溫度上升而增加的特性，通過測量電阻值來確定溫度。這種方法適用于電機等設備的溫升測試。
溫升測試流程
1. 確定受測元器件：選擇需要測試的設備部件。
2. 安裝熱電偶：將熱電偶粘貼到受測元器件上。
3. 設備運行：將設備運行在額定電壓和頻率的上限，輸出負載調整到要求的大小。
4. 達到熱平衡：讓設備持續工作，直到達到熱平衡狀態。
5. 記錄數據：記錄熱電偶的讀數，以評估溫升情況。
溫升試驗案例
隨著新能源汽車的快速發展，蓄電池控制單元（Battery Control Unit, BCU）作為電池管理系統的核心部件，其安全性和可靠性至關重要。在實際使用中，BCU可能會面臨高壓過流的極端工況，例如電池組短路或充電設備故障，導致電流異常升高。
展開 鋰電池全三維電化學-熱偶合仿真 ￥600
針對NCM811和磷酸鐵鋰鋰離子電池，在COMSOL Multiphysics多物理場仿真軟件中搭建了全三維電化學-熱耦合模型，分析了鋰離子電池工作過程中的電極電位分布、電流密度分布和溫度場分布特性。結果表明，通過建立的全三維電化學-熱耦合模型可以得到電池局部電位分布和電流密度分布等傳統實驗方法難以獲得的結果；在鋰離子電池恒流放電過程中，單電極對內部存在明顯的溫度梯度，特別是在極耳和極板的過渡區，電池溫度梯度變化最大；放電過程中電池不同位置的溫升速率并不相同，放電前期，極耳區域溫升速率最大，遠離極耳的電池底部區域溫升速率相對較小，但是，放電后期有增大趨勢。
展開 以某車用鋰離子電池組為研究對 象 ，主 要研究了爬坡工況、９０ｋｍ／ｈ勻速工況和 ＮＥＤＣ三種 工況下動力電池組的溫升情況。利用ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋ 和Ａｍｅｓｉｍ 軟件聯合對液冷電池包進行熱管理仿真，分析流場和溫度場的分布情況，預測綜合工況下電池包模組的最高溫度和模組間溫差分布，并通過熱管理試驗驗證三種工況下試驗結果與仿真結果是否吻合 ，以提高仿真精度。
動力電池包內熱量的累積不僅影響電池的使用效率及使用壽命，同時易造成動力電池系統故障并引發安全事故［，因此準確預測電池包內溫度分布，并對溫度場進行分析具有重要意義。動力電池包熱管理系統設計中，通常結合仿真來預測電池包的溫度分布、冷卻系統的流量分配和壓力分布等，從而預測熱管理系統的性能。仿真一般分為３Ｄ仿真和１Ｄ仿真，３Ｄ仿真可用于電池包液冷板流場和壓力場的仿真，以及模組溫度場的仿真，以獲得流場和溫度場的細節，但３Ｄ仿真軟件計算瞬態工況耗時較長，不便或無法用于系統級別仿真以及控制策略仿真；１Ｄ仿真從系統角度出發，模型從電池包擴展至包含整個冷卻／加熱系統外部環路等，由于建模中對各相應部件進行了簡化，在對系統性能進行仿真的時候，能大大提高仿真速度，通常用于系統級別的瞬態循環工況仿真和制定電池包熱管理控制策略等。
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展開 由圖12可知，從車外環境溫度變化上來看，溫度越低同一策略下帶來的溫升效果有以下趨勢:無論是乘員艙還是電池，溫升速率基本不變，但達到目標溫度所需時間隨著溫度的降低而顯著增加。
圖12各環境溫度下不同工況制熱時電池溫度變化曲線
2)控制策略的影響。
如圖10所示，同一工況下，不同策略對電池或乘員艙的溫升有著不同程度的影響。在動力電池的溫升上，例如在高速工況下環境溫度為5℃時電池優先加熱策略比乘員艙優先加熱策略快23s，在環境溫度為－1℃時快176s，在環境溫度為－7℃時快292s;在乘員艙室內的溫升上，有著類似的趨勢，環境溫度越低，乘員艙優先加熱策略比電池優先加熱策略的加熱時間更快。
并行加熱策略在乘員艙與電池的加熱上的趨勢與其他策略類似，所需加熱時間的長短處于乘員艙優先加熱策略與電池優先加熱策略之間。對于乘員艙和電池的總體加熱時間上來看，同一溫度下，電池優先加熱策略時間最短，并行加熱策略次之，乘員艙加熱策略時間最長。值得一提的是，并行加熱策略在達到目標溫度后有大幅波動，出現波動時車輛處在環境溫度較低的情況下。
3)運行工況的影響。
由圖12分析，從車輛運行工況上來看，高速工況下的電池溫升效果明顯優于低速工況，各溫度下120km/h工況比40km/h工況平均快15min。乘員艙溫度升到目標溫度所需時間基本一致，但達到穩定后有段時間會有小幅度波動，如圖10所示。這是由于電池達到目標溫度后電池側三通閥關閉導致的暖水回路溫度的短時間升高的原因，而且溫度越高，電池溫升所需時間更短，波動出現的時間越提前。
4．2．2系統經濟性
1)環境溫度的影響。
如圖13所示，從結果分析上來看，環境溫度越低，系統的整體能耗越高。
展開 而對于SOH為85%和80%的電池，熱失控觸發溫度T2也從新鮮電池的213℃降低到180℃，電池的熱穩定性急劇下降。對于常溫大倍率循環老化的電池，SOH為80%的電池在50~120℃的溫升速率增加，明顯高于新鮮電池在對應溫度區間的溫升速率，電池的熱失控觸發溫度T2也有所降低，表明電池的熱穩定性有所下降。隨著SOH的降低，高溫擱置老化電池在70~170℃溫度范圍內的溫升速率逐漸降低，溫升速率曲線下移，表明電池的熱穩定性有一定的提升。而高溫循環老化電池的溫升速率曲線與新鮮電池基本重合，電池的熱失控特性基本保持不變。
圖12 不同老化路徑下電池熱失控溫升速率-溫度曲線隨SOH的變化
圖13 電池熱失控特征參數示意圖
為定量地比較電池全生命周期熱失控特性的變化，本小節在熱失控三特征溫度的基礎上，增加了電池熱失控時間ΔtTR這一特征參數，以評估電池自產熱至熱失控過程中的所用時間與平均溫升速率，如圖13所示。
圖14 不同老化路徑下電池熱失控特征溫度與熱失控時間隨SOH的變化規律
圖14統計了不同老化路徑下電池熱失控特征溫度{T1, T2, T3}以及熱失控時間ΔtTR隨SOH的變化規律。低溫循環老化工況下，電池自產熱起始溫度T1隨著SOH的降低而快速下降，SOH衰減至77.5%時，T1從72.39 ℃降低至52.40 ℃，意味著低溫循環老化電池在車用正常工作溫度范圍內便有可能因副反應而自產熱，安全風險急劇增高。另外，電池熱失控觸發溫度T2也隨著衰減程度的加劇而下降，老化電池熱失控將更容易被觸發，電池熱失控最高溫度T3基本不隨SOH減小而變化。
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比如在電池熱管仿真的過程中，我們只有先明確仿真的意圖在于電池的溫升速率、降溫速率、電池的最高溫、電池單體溫差、電池間溫差，還是液冷or風冷系統的壓力損失......才能合理地簡化模型、布置網格等。
2）提出優化建議的能力：作為一名電池熱管理仿真工程師，我們的工作職責應該是通過我們的工作，對產品的設計優化提出切實可行的建議，這樣也才能充分發揮我們工作的意義。
鋰離子電池使用過程中產生的熱量，為鋰離子電池的溫升提供了熱源，下式鋰離子電池的溫升過程。
式中，T為電池的溫度；Q為熱源；λAΔT為電池內部的導熱過程。
上述的電化學反應和熱力學過程不是孤立存在的，而是相互作用的。電化學反應為熱力學過程提供熱源，熱力學過程對這些熱源進行計算，更新溫度并作為參數輸入電化學反應。
而高溫循環老化電池的溫升速率曲線與新鮮電池基本重合，電池的熱失控特性基本保持不變。
隨著車外環境溫度的改變，不同策略以及駕駛工況的不同，乘員艙與電池溫升有著明顯的區別。同一環境溫度下高速工況電池的溫升速率高于低速工況，到達目標溫度總體時間也大幅縮短。由圖12可知，從車外環境溫度變化上來看，溫度越低同一策略下帶來的溫升效果有以下趨勢:無論是乘員艙還是電池，溫升速率基本不變，但達到目標溫度所需時間隨著溫度的降低而顯著增加。
抽象的： 針對鋰離子軟包電池模塊的溫升和溫差問題，本文提出了一種新型混合液體和相變材料（PCM）蜂窩結構的電池熱管理系統（BTMS）。通過實驗獲得了電池的開路電壓（OCV）、內阻、開路電壓溫度導數、比熱容和熱導率。對比空冷、PCM冷卻和混合冷卻三種BTMS發現，使用空冷方案時電芯溫度超過工作溫度，而PCM冷卻和混合冷卻方案的混合冷卻可以有效控制電芯最高溫度。
基于Z型MHPA的TLC TMS不僅能有效延緩高充放電倍率下電池的溫升，還能顯著降低溫差；其熱管理性能明顯優于底部液冷TMS。
02
成果掠影
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所田爽老師團隊針對鋰離子軟包電池模塊的溫升和溫差問題，提出了一種新型混合液體和相變材料（PCM）蜂窩結構的電池熱管理系統（BTMS）。開路電壓（OCV）、內阻、開路電壓溫度導數、比熱容和導熱系數電池的性能是通過實驗獲得的。
“熱失控”是電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現象，發生時通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等危害。
在電池組中,若局部區域電池發生的熱失控事件失去控制，將擴展到周圍區域的電池，引起熱失控在系統內擴展而導致不可控的危害，抑制熱失控尤為重要。
“熱失控”是電池內部出現放熱連鎖反應引起電池溫升速率急劇變化的過熱現象，發生時通常伴隨著冒煙、起火、爆炸等危害。
在電池組中,若局部區域電池發生的熱失控事件失去控制，將擴展到周圍區域的電池，引起熱失控在系統內擴展而導致不可控的危害，抑制熱失控尤為重要。
