引用本文請復制：
洪杰，孫明生，傅琰等.不同放電倍率條件下的鋰電池濕度場剖析[J].太陽能,2022(1):20-33.
具有高容量、高能效比和良好循環壽命的鋰離子二次電瓶(下文簡稱為“鋰電池”)是電動車輛(EV)和混和電動車輛(HEV)的主要電源。鋰電池的種類繁雜，隨著常年的研究與驗證，一系列性能優異的鋰電池漸漸被應用于不同場合[1]。隨著可再生能源在發電領域被越來越廣泛的開發與應用，鋰電池作為可再生能源發電系統中儲能系統的核心部件，發揮著重要作用；但近日出現了一些因為鋰電池工作氣溫失控而發生火警車禍的案例，這種車禍對鋰電池在儲能行業的發展導致了一定影響。安全性對于小型鋰電池而言尤為重要，為了提供足夠的容量，小型鋰電池一般由許多并聯聯接的單體電芯組成。這些配置從本質上降低了鋰電池的熱容，而鋰電池的工作氣溫通常約為30℃，太高的工作氣溫會影響其使用壽命[2]，因而在鋰電池的運行過程中對其進行熱管理至關重要。
熱管理建模是了解設計和操作變量怎樣在充電和放電過程中影響鋰電池熱行為的有效方式。等[3]提出了電瓶系統的通常能量平衡公式。重慶交通學院的黃文才等[4]通過軟件對鋰電池進行了三維建模，模擬了不同環境氣溫情況下鋰電池內部的熱失控情況。李勝輝等[5]和周慶輝等[6]也通過軟件構建了單體鋰電池和鋰電池模塊的氣溫場模型，并進行了仿真剖析。
本文的研究對象為特定的一批退役動力鋰電池，針對其在梯次借助時不同場景下的可用性與安全性，進行了不同放電倍率下的充放電循環實驗，觀察鋰電池的溫升變化規律。之后完善鋰電池的三維熱仿真模型，對鋰電池在常溫、自然散熱條件下以不同倍率放電時的氣溫場進行了仿真，并根據鋰電池的理想工作氣溫范圍提出了其在常溫、自然散熱條件下充放電時的最大循環倍率，并在不同放電循環倍率下通過控制外界環境濕度或充放電循環次數使鋰電池內部滿足合適的理想工作熱環境。
1鋰電池充放電循環實驗
對鋰電池進行不同放電倍率下的充放電循環實驗，以觀察鋰電池的溫升變化規律。實驗選用的是北京電氣國軒新能源科技有限公司的標稱電流為6.4V、標稱容量為84Ah的退役鋰電池，該鋰電池的外部規格為205mm×87mm×154mm；內部由8節矩形鋁殼單體電芯組成，采用“4并聯2串聯”的聯接形式，單體電芯的規格為100mm×20mm×150mm。實驗用退役鋰電池的實物圖如圖1所示。
1.1實驗設備
本實驗的充放電設備選用無錫拜特測控技術有限公司生產的電瓶測試系統，如圖2所示。
實驗中的測溫及顯示裝置選用系列紅外熱成像儀，顯示的鋰電池表面水溫(即其工作氣溫)情況如圖3所示。之后借助軟件對得到的鋰電池工作氣溫數據進行處理，可以得到不同放電倍率下的充放電循環實驗中鋰電池的工作氣溫-時間曲線圖。
不同放電倍率下鋰電池的充放電循環實驗的實驗環境如圖4所示。鋰電池及紅外熱成像儀周圍的泡沫板是拿來避免周圍物體對紅外熱成像儀測溫形成影響。
1.2實驗方案
本實驗采用的電瓶測試系統單通道的保護條件如表1所示。
大量研究表明：相較于充電過程，鋰電池在放電過程中的生熱量更高。為此，在本充放電循環實驗中，將充電倍率統一控制為0.5C，主要通過改變鋰電池的放電倍率來研究其在工作過程中的氣溫變化情況。具體的實驗流程為：
1)將鋰電池靜置60s；
2)對鋰電池進行恒流充電，充電電壓為30A，充電倍率為0.5C；
3)將充電后的鋰電池靜置1800s；
4)對鋰電池進行恒流放電，放電電壓分別為30、45、60、75、90A，對應的放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C。
1.3實驗數據整理
通過對紅外熱成像儀拍攝的視頻進行處理，將氣溫情況以折線圖的方式顯示，借此來剖析實驗過程中鋰電池工作氣溫(即其表面水溫)的變化情況。
對充電倍率均為0.5C，放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時鋰電池在1個充放電循環中的表面水溫變化情況進行測試。其中，充電后的靜置時間均為1800s。不同放電倍率下，在1個充放電循環的不同階段鋰電池表面的氣溫數據檢測結果如表2所示。
依照表2的實驗數據，可整理得出不同放電倍率下，在1個充放電循環的不同階段鋰電池表面的氣溫變化情況，具體如表3所示。
從表3可以看出，在1個充放電循環中，因為充電倍率、充電電壓相同，使鋰電池的生熱量近似，因而不同放電倍率下鋰電池表面的溫升在充電階段基本保持一致，靜置階段的溫降也基本一致。而在放電階段，隨著放電倍率的減小，鋰電池表面的溫升數值明顯減小；相關研究表明：鋰電池的理想工作氣溫范圍為25～40℃，而在大倍率(即1.5C以上)放電時，鋰電池的工作氣溫將會超過理想工作體溫。因而，對常溫、自然散熱條件下的鋰電池進行熱管理十分有必要。
2鋰電池濕度場的模擬剖析
熱量傳遞的基本方法有熱傳導、熱對流和熱幅射這3種，而熱量在鋰電池內部主要是以熱傳導的方式進行傳遞的[7]。為此，本文采用ANSYS模擬軟件中的非穩態導熱模塊對鋰電池的水溫場進行仿真估算。
2.2鋰電池熱管理結構仿真模型的構建
本文借助ANSYS軟件對鋰電池進行建模仿真，鋰電池的幾何模型如圖5所示。
建模完成后，對估算域進行網格界定，生成鋰電池的有限元模型。因為本文選用的鋰電池的幾何模型形狀簡單，因而適合采用結構化網格。鋰電池的網格界定結果如圖6所示。
2.3單個充放電循環中、不同放電倍率下鋰電池的生熱氣溫場分布模擬
在單個充放電循環下，設置鋰電池的初始氣溫為25℃，估算放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C，對應的放電電壓分別為30、45、60、75、90A時鋰電池的生熱功率，具體結果如表4所示。
鋰電池的單體電芯所用材料為鋁合金，鋰電池由鋁殼進行包裹，鋰電池外部的對流傳熱介質為空氣。通過查詢技術指南[9]，可以得到鋰電池鋁殼及外部對流傳熱介質的各項特點參數，具體如表5所示。
對鋰電池進行建模并完成網格界定后，首先借助前文實驗中得到的單個充放電循環中靜置階段鋰電池表面的氣溫變化來確定鋰電池表面與空氣間的對流傳熱系數。當靜置階段鋰電池的表面氣溫小于環境濕度時，鋰電池會通過其表面與空氣的對流傳熱來形成溫降，而按照固定時間內的溫降即可確定鋰電池表面與空氣的對流傳熱系數，本文取5W/m2。單個充放電循環中充電階段結束后，鋰電池的表面水溫為31.5℃時，將其靜置1800s，之后對此時鋰電池表面的濕度進行模擬，結果如圖7所示。
從圖7可以看出，當對流傳熱系數設置為5W/m2時，經過靜置1800s后，鋰電池表面的體溫升高約1.005℃，與前文實驗得到的鋰電池的平均表面溫降為1.128℃之間的偏差較小，滿足仿真需求。
借助驗證后的對流傳熱系數及估算得到的鋰電池生熱功率，對充電倍率為0.5C的恒流充電階段結束時的鋰電池非穩態導熱估算結果加以驗證，以確定所構建的鋰電池模型的確切性。充電倍率為0.5C恒流充電結束時鋰電池的生熱氣溫場和截面氣溫分布情況如圖8所示。
從圖8可以看出，鋰電池的熱仿真模型中，在充電倍率為0.5C的充電階段結束時，鋰電池的表面水溫最高為31.464℃，相較于鋰電池的初始氣溫25℃，溫升為6.464℃，而前文實驗中充電階段鋰電池表面溫升的平均值為6.51℃，兩者之間的偏差在5%以內，符合要求，這證明該鋰電池的模型仿真參數符合實際實驗的測試結果，滿足仿真要求。
依據所構建的鋰電池模型，在單個充放電循環中，充電倍率均為0.5C、充電時間均為7200s、充放電之間的靜置時間均為1800s的情況下，對放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C，對應的恒流放電時間分別為7200、3600、2400、1200、900s時鋰電池的水溫場情況進行了仿真。其他條件均一致，不同放電倍率時鋰電池的水溫場仿真結果如圖9～圖13所示。
由圖9～圖13的仿真結果可知，在單個充放電循環中，鋰電池的最高氣溫都坐落其內部中心位置，而鋰電池殼體的4個角的氣溫最低；而且鋰電池的水溫是從內部到外部日漸減少。對圖9～圖13得到的仿真數據進行整理，可以得到鋰電池在單個充放電循環中，充電倍率均為0.5C，放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時，鋰電池的最高氣溫及最大溫升，具體數值如表6所示。
鋰電池在實際工作過程中，其各單體電芯會由于形成劇烈的物理反應而造成鋰電池內部中心位置的氣溫最高，之后通過對流傳熱介質，以熱傳導的方法把熱量散出去，因而鋰電池的最高氣溫坐落其內部中心位置，而鋰電池的最低氣溫坐落其殼體4個角的位置。這與仿真得到的結果一致。
按照充電倍率均為0.5C的情況下不同放電倍率時鋰電池的水溫數據，由軟件擬合出鋰電池的溫升-放電倍率擬合曲線，如圖14所示。
按照圖14可發覺，在充電倍率不變的情況下，單個充放電循環中鋰電池的溫升與放電倍率呈現出一定的二次關系。
單個充放電循環中鋰電池的放電倍率與其溫升的關系式可表示為：
鋰電池的理想工作氣溫范圍為25～40℃，由式(3)可知，當放電倍率在1.50C以上時，鋰電池工作一段時間后其體溫將超出理想工作體溫的范圍。同時，依據文獻及相關經驗可知，鋰電池安全放電時的最高氣溫限值為55℃。結合式(3)可知，在25℃自然散熱的條件下，單個充放電循環中鋰電池的最高放電倍率不宜超過2.74C。
2.4不同放電倍率下鋰電池完成單個充放電循環后其體溫恢復至環境濕度所需時間的仿真
依據所構建的鋰電池模型，對充電倍率均為0.5C，放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C時，鋰電池完成單個充放電循環后其體溫通過自然散熱回到環境濕度須要的時間進行了仿真模擬。因為在無限接近環境濕度25℃時鋰電池的
散熱過分平緩，近似取25℃的+2%作為偏差值，即降至25.5℃以下即覺得鋰電池的水溫回到了環境濕度。不同放電倍率下鋰電池完成單個充放電循環后其生熱氣溫場及濕度-時間曲線如圖15～圖19所示。圖中：藍色曲線為仿真模擬結果；紅色曲線為基于仿真模擬結果的平滑處理曲線。
從表7可以看出，在常溫、自然散熱條件下，不同放電倍率下鋰電池完成單個充放電循環后其體溫恢復至環境濕度所需時間均小于10h，時間較長，因而，在進行連續充放電循環時，鋰電池的溫升將持續降低，這會嚴重影響鋰電池內部的熱環境。綜上所述，對于連續充放電循環狀態下鋰電池的熱特點進行研究的意義重大。
2.5在連續充放電循環狀態下，不同放電倍率下鋰電池的水溫場分布模擬
對在連續充放電循環狀態下，充電倍率均為0.5C時，不同放電倍率下鋰電池的水溫場情況進行了模擬，并針對鋰電池的熱管理提出了控制方式。
2.5.1不同放電倍率下鋰電池的安全充放電循環次數
由前文的研究結果可知，在單個充放電循環內，鋰電池的放電倍率小于1.50C時就會超出其理想工作氣溫范圍，但在連續充放電循環狀態下，鋰電池的水溫會持續上升。依據前文構建的鋰電池模型，在25℃環境濕度，充電倍率均為0.5C，放電倍率分別為0.50、0.75、1.00、1.25、1.50C的情況下，對鋰電池連續充放電循環后其體溫超過理想工作氣溫最高限值(40℃)時所須要的時間進行了研究，結果如圖20所示。圖中：藍色曲線為仿真模擬結果；紅色曲線為基于仿真模擬結果的平滑處理曲線。
從圖20可以看出：
1)在充電倍率均為0.5C、放電倍率分別為0.50C和0.75C時，鋰電池進行連續充放電循環后，其能達到的最高氣溫穩定在36.455℃和39.167℃，不會超過理想工作氣溫最高限值(40℃)。
2)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.00C時，鋰電池進行連續充放電循環后充電電池串聯和并聯的區別，其氣溫將在第38756s，也即第4個充放電循環期間超過理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下，鋰電池的安全充放電循環次數為4次。
3)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.25C時，鋰電池進行連續充放電循環后，其氣溫將在第22501s，也即第2個充放電循環期間超過理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下，鋰電池的安全充放電循環次數為2次。
4)在充電倍率為0.5C、放電倍率為1.50C時，鋰電池進行連續充放電循環后，其氣溫將在第13184s后，也即第2個充放電循環期間超過理想工作氣溫最高限值(40℃)。所以在該充放電倍率條件下，鋰電池的安全充放電循環次數為2次。
2.5.2鋰電池在理想工作氣溫范圍內進行連續充放電循環時的外界環境濕度條件剖析
不僅改變鋰電池的放電倍率外，外界環境濕度也是影響鋰電池進行連續充放電循環時內部熱環境的重要誘因之一。通過改變外界環境濕度充電電池串聯和并聯的區別，可以使常溫、自然散熱條件下超過理想工作氣溫范圍造成難以正常工作的鋰電池可以繼續正常工作。
由前文可知，在25℃的外界環境濕度下，放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時鋰電池進行連續充放電循環后其氣溫均會超出理想工作氣溫范圍。
當充電倍率仍為0.5C，將模擬時間設定為10個充放電循環所需的時間，對鋰電池連續充放電循環后可將其體溫控制在理想工作氣溫范圍內的外界環境濕度進行了模擬研究，得到了在此外界環境濕度下，放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時鋰電池進行連續充放電循環后其氣溫-時間曲線，以及生熱氣溫場和截面氣溫分布情況，具體如圖21～圖23所示。圖中：藍色曲線為仿真模擬結果；紅色曲線為基于仿真模擬結果的平滑處理曲線。
由圖21～圖23可知，在放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C的情況下，鋰電池進行連續充放電循環時其體溫維持在理想工作氣溫范圍內所須要的外界環境氣溫分別為23.5、20.4和16.6℃。由此可知，隨著放電倍率的減小，外界環境濕度需不斷增加；放電倍率由1.00C提高至1.25C時，外界環境濕度需在放電倍率為1.00C時對應值的基礎上再增加3.1℃，才可以使鋰電池進行連續充放電循環時其體溫維持在理想工作氣溫范圍內；而放電倍率由1.25C提高至1.50C時，外界環境濕度需在放電倍率為1.25C時對應值的基礎上再增加3.8℃，才可以使鋰電池進行連續充放電循環時其體溫維持在理想工作氣溫范圍內。由此可見，當鋰電池的放電倍率均勻減小時，為了使鋰電池體溫維持在理想工作氣溫范圍內，外界環境濕度的增加速度在不斷提高，需通過一定的通風散熱舉措來減少外界環境濕度。
3推論
本文針對退役鋰電池在梯次借助時不同場景下的可用性與安全性，進行了不同放電倍率下的充放電循環實驗，并觀察鋰電池溫升的變化規律；另外構建了鋰電池的三維熱模型，對在常溫、自然散熱條件下以不同放電倍率放電時鋰電池的水溫場進行了仿真，并按照鋰電池的理想工作氣溫范圍提出了其在常溫、自然散熱條件下的最大循環充放電倍率；最后研究了在不同放電倍率循環下通過控制外界環境濕度或循環次數使鋰電池內部滿足合適的理想工作熱環境。研究結果表明：
1)在鋰電池單個充放電循環過程中，充電倍率不變時，隨著放電倍率減小，鋰電池的最高氣溫也在不斷減小，需采取一定的散熱舉措將體溫控制在理想工作氣溫最高限值以內。
2)在不同電壓硬度的恒流放電下，鋰電池的生熱功率不同，其最高氣溫也不同，從鋰電池內部中心位置到其殼體4個角，氣溫漸漸減少。
3)依據仿真結果，為了在安全可靠的條件下進行梯次借助，在常溫25℃、充電倍率為0.5C的自然散熱條件下，該鋰電池進行單個充放電循環時，理想工作氣溫范圍內的放電倍率不得超過1.50C；當鋰電池放電倍率小于2.74C時，鋰電池完成單個充放電循環的最高氣溫將超出安全限值，為此，若要延長鋰電池的使用壽命，需將放電倍率控制在合理范圍內。該鋰電池進行連續充放電循環時，為使放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時鋰電池內部熱環境能保持在理想工作氣溫范圍內，充放電循環次數需分別大于4、2、2次；也可以通過一定的通風散熱舉措將放電倍率分別為1.00、1.25、1.50C時的外界環境濕度分別降至23.5、20.4、16.6℃以下。
作者|洪杰，孫明生，傅琰，徐志成，王軍，梁巖
單位|1.山西省新能源開發股份有限公司，
2.廣東省太陽能技術重點實驗室，西南學院能源與環境大學，
來源|《太陽能》雜志2022年第1期P20—P33
DOI:10.19911/j.1003-0417..05
