鉅大LARGE | 點擊量：1452次 | 2022年03月28日
淺析溫度對鋰動力鋰離子電池的影響以及溫度傳感器選擇要點
（1）國標要求：
國標GB/T31486-2015電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗要求，是有關單體電池和模塊的最新國標要求，其中有關電池模塊在高溫和低溫下的性能要求為：在-202℃下的1C放電容量不低于初始容量的70%；在552℃下的1C放電容量不低于初始容量的90%。在552℃下100%SOC存儲7天后，其荷電保持率不低于初始容量的85%，容量恢復應不低于初始容量的90%。
（2）溫度對鋰動力鋰電池荷電保持能力的影響：
鋰動力鋰電池的自放電是指鋰動力鋰電池在開路擱置時自動放電現，鋰動力鋰電池發生自放電將直接減少鋰動力鋰電池可輸出的電量，使鋰動力鋰電池容量降低。自放電的出現重要是由于電極在電解液中處于熱力學的不穩定狀態，鋰動力鋰電池的兩個電極各自發生氧化還原反應的結果。
在兩個電極中，負極的自放電是重要的，自放電的發生使活性物質被消耗，轉變成不能利用的熱能。自放電的大小，可以用自放電率來表示，即規按時間內鋰動力鋰電池容量降低的百分數來表示：
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
式中：Y%為自放電率；C1為閥控密封式鉛酸鋰動力鋰電池擱置前的容量；C2為鋰動力鋰電池擱置后的容量；T為鋰動力鋰電池的擱置時間，一般用天、周、月或年來表示。
鋰動力鋰電池自放電速率的大小是由動力學的因素決定的，重要取決于電極的材料的本性、表面狀態、電解液的組成和濃度、雜質含量等，也取決與擱置的環境條件，如溫度和濕度等因素。
鋰動力鋰電池在高溫條件下儲存，容量損失最大；低溫條件下儲存，容量損失最小。鋰動力鋰電池的荷電保持能力強，允許工作溫度范圍寬。自放電重要受制造工藝，材料，儲存條件的影響自放電是衡量鋰動力鋰電池性能的重要參數之一。鋰動力鋰電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應注意溫度過低或過高均有可能造成鋰動力鋰電池損壞而導致無法使用。
（3）溫度對鋰動力鋰電池壽命的影響：
溫度的升高對鋰動力鋰電池的日歷壽命和循環壽命都有影響，溫度對鋰動力鋰電池壽命的影響符合阿倫尼烏斯方程，鋰動力鋰電池溫度升高，反應速度加快，相關研究表明鋰動力鋰電池溫度每升高10℃其退化速度就新增1倍。同一款電芯，當剩余容量為90%，25℃溫度下輸出容量為300kWh，而35℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。
溫度上升10℃，電芯的循環壽命下降了近50%。由此可見，溫度對鋰動力鋰電池的循環壽命有很大的影響。所以在鋰動力鋰電池的使用過程中，應該盡量防止電池長期在高溫條件下使用，尤其要防止鋰動力鋰電池在高溫條件下的高倍率充放電循環，這也是車用動力鋰電池必須進行溫度控制的一個重要原因。
2.鋰動力鋰電池低高溫特性：
（1）鋰動力鋰電池低溫特性：
鋰動力鋰電池在不同低溫下的放電容量曲線如圖1所示，與室溫20℃相比，低溫-20℃下容量衰減已經比較明顯，到-30℃是容量損失更多，-40℃下容量連一半都不到了。
從電化學角度分析，溶液電阻、SEI膜電阻在整個溫度范圍內變化不大，對鋰動力鋰電池低溫性能的影響較小；電荷傳遞電阻隨溫度的降低而顯著新增，且在整個溫度范圍內隨溫度的變化都明顯大于溶液電阻和SEI膜電阻。
這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子電導率隨之降低，SEI膜電阻和電化學反應電阻隨之增大，導致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學極化均增大，在鋰動力鋰電池的放電曲線上就表現為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。
鋰動力鋰電池在低溫充電過程中的歐姆極化、濃差極化和電化學極化將加大，導致金屬鋰沉積，使電解液分解，最終導致電極表面SEI膜增厚、SEI膜電阻新增，在放電曲線上表現為放電平臺和放電容量降低。
鋰動力鋰電池在低溫條件下，化學反應活性降低，同時鋰離子遷移變慢，在負極表面的鋰離子還沒有嵌入到負極中已經先還原成金屬鋰，并在負極表面沉淀析出形成鋰枝晶，這容易刺穿隔膜造成電池內短路，進而損壞電池，造成安全事故。
（2）鋰動力鋰電池高溫特性：
鋰動力鋰電池在120℃高溫下，鋰動力鋰電池的部分正極粘結劑PVdF將從Part1區域遷移到正極表面，造成Part1區域的粘結劑含量下降，即活性材料中粘結劑的缺失，導致電化學反應的能力下降。在Part2區域，因是正極的主體，粘結劑含量正常，高溫影響不大，活性材料可以正常進行反應。
鋰動力鋰電池在85℃下循環，鋰動力鋰電池的負極表面出現固體電解質，負極表面被新生成的固體電解質覆蓋。當溫度上升在120℃時，生成了更多的固體電解質，負極表面被更多的固體電解質覆蓋，消耗了更多的活性鋰離子，造成鋰動力鋰電池容量的下降。
3.鋰動力鋰電池溫度傳感器選擇及布置：
（1）NTC熱敏電阻選用要點：
在采用NTC熱敏電阻采集鋰動力鋰電池模組內的溫度時，在選擇NTC熱敏電阻時應考慮的因素有：
1）NTC熱敏電阻外殼應光潔、色澤均勻、無裂縫、無變形、無嚴重劃傷，每批產品（含引出線）的顏色應一致，無任何腐蝕。在每只NTC熱敏電阻的外殼表面應有永久性型號、序號。
2）溫度范圍。根據應用的工作溫度范圍選擇材質不同的NTC熱敏電阻，NTC熱敏電阻一般由感溫頭(金屬外殼或塑膠外殼)、線材、端子、連接器、環氧樹脂或其他填充材料等組成，在選擇時要根據不同的工作環境溫度來選擇不同材質的NTC熱敏電阻。
3）精度（整個測量誤差2℃以內）。NTC熱敏電阻在整個溫度檢測范圍內線性度好，NTC熱敏電阻的特性符合整個參數范圍。并要考慮NTC熱敏電阻阻值精度對溫度檢測精度的影響；NTC熱敏電阻B常數精度對溫度檢測精度的影響；NTC熱敏電阻熱擴散常數C對溫度檢測精度的影響。
精度NTC熱敏電阻一個重要的性能指標，它是關系到整個測量系統測量精度的一個重要環節。NTC熱敏電阻的精度越高，其價格越昂貴，因此，NTC熱敏電阻的精度只要滿足整個測量系統的精度要求就可以。決定NTC熱敏電阻精度的因素有：
①NTC熱敏電阻本身的誤差。NTC熱敏電阻的阻值誤差、B值誤差越小，測量精度越高。
②NTC熱敏電阻的感溫頭與測溫對象的接觸方式。直接接觸的比間接接觸的測量精度要高，另因NTC熱敏電阻的R-T曲線是非線性的，它不可能保證在很寬的工作溫度范圍內的精度都是相同的。因此，要想得到較高的測量精度，選定工作場合的中心工作溫度點(一般中心工作溫度點精度最高，根據R-T曲線的離散性，離中心工作溫點越遠的溫度點，精度誤差會逐漸加大)。
4）在測量過程中NTC熱敏電阻的響應速度快，達到最接近溫度時間要盡量短,不能超過10秒，否則在實用性上達不到效率的要求。不同的應用場合要求NTC熱敏電阻的響應速度快慢不一，而不同的材料有不同的導熱系數。影響NTC熱敏電阻響應速度的因素有：
①NTC熱敏電阻芯片的熱時間常數。熱時間常數小的，響應速度快。
②NTC熱敏電阻感溫頭外殼材質的導熱系數，導熱系數高的材料熱傳導性能優良。
③NTC熱敏電阻感溫頭尺寸的大小，感溫頭尺寸小的，熱傳導時間會相應短，反應速度會快一點。
④NTC熱敏電阻感溫頭內部填充的導熱膠，感溫頭內填充了導熱系數高的導熱硅脂的會比沒填充\填充了導熱系數低的導熱硅脂反應速度快。
5）自加熱在一定范圍內，電阻的選值要考慮本身的發熱，以免本身引起發熱。否則NTC熱敏電阻自身的發熱將影響溫度測量，并應具有高的可靠性（冷熱沖擊性能優越），熱時間常數要小（響應速度快）。
6）穩定性，NTC熱敏電阻使用一段時間后，其性能保持不變化的能力稱為穩定性。影響NTC熱敏電阻長期穩定性的因素除NTC熱敏電阻芯片的穩定性，可靠性，傳感器本身和結構，還有NTC熱敏電阻的使用環境。要使NTC熱敏電阻具有良好的穩定性，NTC熱敏電阻必須要有較強的環境適應能力。NTC熱敏電阻穩定性選擇要素有：
①選用高可靠的NTC熱敏電阻。
②選用結構合理NTC熱敏電阻，并要有較強的機械強度。
③針對不同的使用環境，選用不同的填充材質的合理的。
7）壽命：不低于6年，其中含儲存期限2年。
8）NTC溫度傳感器在-55℃～70℃環境中沖擊三次，應無機械損傷和任何松脫現象。
9）絕緣電阻：大于10M/500V。
（2）NTC熱敏電阻布置：
NTC熱敏電阻
動力鋰電池模組由多個電芯組成，正常工作的時候，動力鋰電池模組電芯的溫度是均勻的，而在動力鋰電池模組出現異常情況下，不同的動力鋰電池模組電芯的溫度會出現較大的溫差。
通常選用3～4個采集點來監控整個動力鋰電池模組的溫度，采集的溫度數據輸入動力鋰電池模組管理單元后，由動力鋰電池模組管理單元推算出整個動力鋰電池模組管理單元的溫度情況。
在設計動力鋰電池模組溫度采集點時，采用的溫度采集的方法有：
1）直接采集電芯溫度，通常是把NTC熱敏電阻布置在動力鋰電池模組電芯表面。在動力鋰電池模組電芯的特性比較均勻時，NTC熱敏電阻在動力鋰電池模組電芯表面上布置時，可以采取粘貼方法。
2）間接通集電芯溫度，比較典型的辦法是在動力鋰電池模組的兩個端板處，在動力鋰電池模組的端板上嵌入NTC熱敏電阻，這樣能夠準確的感知頭尾兩片動力鋰電池電芯的溫度，根據采集頭尾兩片動力鋰電池電芯的溫度推算出整個動力鋰電池模組電芯的溫度。
3）采集動力鋰電池電芯互聯板上端的溫度，即把NTC熱敏電阻嵌入到動力鋰電池電芯的內部互聯板里面，開準確的感知動力鋰電池電芯的最高溫度。
4）采集動力鋰電池模組母線溫度，在動力鋰電池模組母線上設有凹槽，溫度傳感器固定于所述凹槽中，凹槽內設有用于固定溫度傳感器的固定膠。
5）采集動力鋰電池模組蓋板表面的溫度，將NTC熱敏電阻直接粘貼在動力鋰電池模組蓋板上。在NTC熱敏電阻與動力鋰電池母線排、電芯互聯板連接或與動力鋰電池模組電芯表面、蓋板表面上粘合時，要考慮操作工藝對NTC熱敏電阻的影響。在固定過程中若操作不當，可能會造成NTC熱敏電阻斷線、短路或引線涂層斷裂。
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