【導(dǎo)讀】本文重點(diǎn)論述了溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池的荷電保持能力、壽命的影響及鋰動(dòng)力電池低高溫特性，探討了鋰動(dòng)力電池溫度傳感器的選擇要點(diǎn)及在鋰電鋰電池模組內(nèi)的布置方式。
1.國(guó)標(biāo)對(duì)動(dòng)力電池的要求及溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池的影響：
（1）國(guó)標(biāo)要求：
國(guó)標(biāo)GB/T31486-2015“電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)要求”，是關(guān)于單體電池和模塊的最新國(guó)標(biāo)要求，其中關(guān)于電池模塊在高溫和低溫下的性能要求為：在-20±2℃下的1C放電容量不低于初始容量的70%；在55±2℃下的1C放電容量不低于初始容量的90%。在55±2℃下100%SOC存儲(chǔ)7天后，其荷電保持率不低于初始容量的85%，容量恢復(fù)應(yīng)不低于初始容量的90%。
（2）溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池荷電保持能力的影響：
鋰動(dòng)力電池的自放電是指鋰動(dòng)力電池在開(kāi)路擱置時(shí)自動(dòng)放電現(xiàn)，鋰動(dòng)力電池發(fā)生自放電將直接減少鋰動(dòng)力電池可輸出的電量，使鋰動(dòng)力電池容量降低。自放電的產(chǎn)生主要是由于電極在電解液中處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定狀態(tài)，鋰動(dòng)力電池的兩個(gè)電極各自發(fā)生氧化還原反應(yīng)的結(jié)果。
在兩個(gè)電極中，負(fù)極的自放電是主要的，自放電的發(fā)生使活性物質(zhì)被消耗，轉(zhuǎn)變成不能利用的熱能。自放電的大小，可以用自放電率來(lái)表示，即規(guī)定時(shí)間內(nèi)鋰動(dòng)力電池容量降低的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示：
式中：Y%為自放電率；C1為閥控密封式鉛酸鋰動(dòng)力電池?cái)R置前的容量；C2為鋰動(dòng)力電池?cái)R置后的容量；T為鋰動(dòng)力電池的擱置時(shí)間，一般用天、周、月或年來(lái)表示。
鋰動(dòng)力電池自放電速率的大小是由動(dòng)力學(xué)的因素決定的，主要取決于電極的材料的本性、表面狀態(tài)、電解液的組成和濃度、雜質(zhì)含量等，也取決與擱置的環(huán)境條件，如溫度和濕度等因素。
鋰動(dòng)力電池在高溫條件下儲(chǔ)存，容量損失最大；低溫條件下儲(chǔ)存，容量損失最小。鋰動(dòng)力電池的荷電保持能力強(qiáng)，允許工作溫度范圍寬。自放電主要受制造工藝，材料，儲(chǔ)存條件的影響自放電是衡量鋰動(dòng)力電池性能的主要參數(shù)之一。鋰動(dòng)力電池儲(chǔ)存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過(guò)低或過(guò)高均有可能造成鋰動(dòng)力電池?fù)p壞而導(dǎo)致無(wú)法使用。
（3）溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池壽命的影響：
溫度的升高對(duì)鋰動(dòng)力電池的日歷壽命和循環(huán)壽命都有影響，溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池壽命的影響符合阿倫尼烏斯方程，鋰動(dòng)力電池溫度升高，反應(yīng)速度加快，相關(guān)研究表明鋰動(dòng)力電池溫度每升高10℃其退化速度就增加1倍。同一款電芯，當(dāng)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?jī)H為163kWh。
溫度上升10℃，電芯的循環(huán)壽命下降了近50%。由此可見(jiàn)，溫度對(duì)鋰動(dòng)力電池的循環(huán)壽命有很大的影響。所以在鋰動(dòng)力電池的使用過(guò)程中，應(yīng)該盡量避免電池長(zhǎng)期在高溫條件下使用，尤其需要避免鋰動(dòng)力電池在高溫條件下的高倍率充放電循環(huán)，這也是車(chē)用動(dòng)力電池必須進(jìn)行溫度控制的一個(gè)主要原因。
2.鋰動(dòng)力電池低高溫特性：
（1）鋰動(dòng)力電池低溫特性：
鋰動(dòng)力電池在不同低溫下的放電容量曲線(xiàn)如圖1所示，與室溫20℃相比，低溫-20℃下容量衰減已經(jīng)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(xué)角度分析，溶液電阻、SEI膜電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)變化不大，對(duì)鋰動(dòng)力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增加，且在整個(gè)溫度范圍內(nèi)隨溫度的變化都明顯大于溶液電阻和SEI膜電阻。
這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，SEI膜電阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻隨之增大，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大，在鋰動(dòng)力電池的放電曲線(xiàn)上就表現(xiàn)為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。
鋰動(dòng)力電池在低溫充電過(guò)程中的歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化將加大，導(dǎo)致金屬鋰沉積，使電解液分解，最終導(dǎo)致電極表面SEI膜增厚、SEI膜電阻增加，在放電曲線(xiàn)上表現(xiàn)為放電平臺(tái)和放電容量降低。
鋰動(dòng)力電池在低溫條件下，化學(xué)反應(yīng)活性降低，同時(shí)鋰離子遷移變慢，在負(fù)極表面的鋰離子還沒(méi)有嵌入到負(fù)極中已經(jīng)先還原成金屬鋰，并在負(fù)極表面沉淀析出形成鋰枝晶，這容易刺穿隔膜造成電池內(nèi)短路，進(jìn)而損壞電池，造成安全事故。
（2）鋰動(dòng)力電池高溫特性：
鋰動(dòng)力電池在120℃高溫下，鋰動(dòng)力電池的部分正極粘結(jié)劑PVdF將從Part1區(qū)域遷移到正極表面，造成Part1區(qū)域的粘結(jié)劑含量下降，即活性材料中粘結(jié)劑的缺失，導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)的能力下降。在Part2區(qū)域，因是正極的主體，粘結(jié)劑含量正常，高溫影響不大，活性材料可以正常進(jìn)行反應(yīng)。
鋰動(dòng)力電池在85℃下循環(huán)，鋰動(dòng)力電池的負(fù)極表面出現(xiàn)固體電解質(zhì)，負(fù)極表面被新生成的固體電解質(zhì)覆蓋。當(dāng)溫度上升在120℃時(shí)，生成了更多的固體電解質(zhì)，負(fù)極表面被更多的固體電解質(zhì)覆蓋，消耗了更多的活性鋰離子，造成鋰動(dòng)力電池容量的下降。
3.鋰動(dòng)力電池溫度傳感器選擇及布置：
（1）NTC熱敏電阻選用要點(diǎn)：
在采用NTC熱敏電阻采集鋰動(dòng)力電池模組內(nèi)的溫度時(shí)，在選擇NTC熱敏電阻時(shí)應(yīng)考慮的因素有：
1）NTC熱敏電阻外殼應(yīng)光潔、色澤均勻、無(wú)裂縫、無(wú)變形、無(wú)嚴(yán)重劃傷，每批產(chǎn)品（含引出線(xiàn)）的顏色應(yīng)一致，無(wú)任何腐蝕。在每只NTC熱敏電阻的外殼表面應(yīng)有永久性型號(hào)、序號(hào)。
2）溫度范圍。根據(jù)應(yīng)用的工作溫度范圍選擇材質(zhì)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(xiàn)材、端子、連接器、環(huán)氧樹(shù)脂或其他填充材料等組成，在選擇時(shí)要根據(jù)不同的工作環(huán)境溫度來(lái)選擇不同材質(zhì)的NTC熱敏電阻。
3）精度（整個(gè)測(cè)量誤差±2℃以?xún)?nèi)）。NTC熱敏電阻在整個(gè)溫度檢測(cè)范圍內(nèi)線(xiàn)性度好，NTC熱敏電阻的特性符合整個(gè)參數(shù)范圍。并要考慮NTC熱敏電阻阻值精度對(duì)溫度檢測(cè)精度的影響；NTC熱敏電阻B常數(shù)精度對(duì)溫度檢測(cè)精度的影響；NTC熱敏電阻熱擴(kuò)散常數(shù)C對(duì)溫度檢測(cè)精度的影響。
精度NTC熱敏電阻一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。NTC熱敏電阻的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，NTC熱敏電阻的精度只要滿(mǎn)足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以。決定NTC熱敏電阻精度的因素有：
① NTC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(cè)量精度越高。
②NTC熱敏電阻的感溫頭與測(cè)溫對(duì)象的接觸方式。直接接觸的比間接接觸的測(cè)量精度要高，另因NTC熱敏電阻的R-T曲線(xiàn)是非線(xiàn)性的，它不可能保證在很寬的工作溫度范圍內(nèi)的精度都是一樣的。因此，要想得到較高的測(cè)量精度，選定工作場(chǎng)合的中心工作溫度點(diǎn)(一般中心工作溫度點(diǎn)精度最高，根據(jù)R-T曲線(xiàn)的離散性，離中心工作溫點(diǎn)越遠(yuǎn)的溫度點(diǎn)，精度誤差會(huì)逐漸加大)。
4）在測(cè)量過(guò)程中NTC熱敏電阻的響應(yīng)速度快，達(dá)到最接近溫度時(shí)間要盡量短,不能超過(guò)10秒，否則在實(shí)用性上達(dá)不到效率的要求。不同的應(yīng)用場(chǎng)合要求NTC熱敏電阻的響應(yīng)速度快慢不一，而不同的材料有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。影響NTC熱敏電阻響應(yīng)速度的因素有：
①NTC熱敏電阻芯片的熱時(shí)間常數(shù)。熱時(shí)間常數(shù)小的，響應(yīng)速度快。
②NTC熱敏電阻感溫頭外殼材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)高的材料熱傳導(dǎo)性能優(yōu)良。
③NTC熱敏電阻感溫頭尺寸的大小，感溫頭尺寸小的，熱傳導(dǎo)時(shí)間會(huì)相應(yīng)短，反應(yīng)速度會(huì)快一點(diǎn)。
④NTC熱敏電阻感溫頭內(nèi)部填充的導(dǎo)熱膠，感溫頭內(nèi)填充了導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱硅脂的會(huì)比沒(méi)填充填充了導(dǎo)熱系數(shù)低的導(dǎo)熱硅脂反應(yīng)速度快。
5）自加熱在一定范圍內(nèi)，電阻的選值需要考慮本身的發(fā)熱，以免本身引起發(fā)熱。否則NTC熱敏電阻自身的發(fā)熱將影響溫度測(cè)量，并應(yīng)具有高的可靠性（冷熱沖擊性能優(yōu)越），熱時(shí)間常數(shù)要小（響應(yīng)速度快）。
6）穩(wěn)定性，NTC熱敏電阻使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱(chēng)為穩(wěn)定性。影響NTC熱敏電阻長(zhǎng)期穩(wěn)定性的因素除NTC熱敏電阻芯片的穩(wěn)定性，可靠性，傳感器本身和結(jié)構(gòu)，還有NTC熱敏電阻的使用環(huán)境。要使NTC熱敏電阻具有良好的穩(wěn)定性，NTC熱敏電阻必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。NTC熱敏電阻穩(wěn)定性選擇要素有：
①選用高可靠的NTC熱敏電阻。
②選用結(jié)構(gòu)合理NTC熱敏電阻，并要有較強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度。
③針對(duì)不同的使用環(huán)境，選用不同的填充材質(zhì)的合理的。
7）壽命：不低于6年，其中含儲(chǔ)存期限2年。
8）NTC溫度傳感器在-55℃～70℃環(huán)境中沖擊三次，應(yīng)無(wú)機(jī)械損傷和任何松脫現(xiàn)象。
9）絕緣電阻：大于10MΩ/500V。
（2）NTC熱敏電阻布置：
NTC熱敏電阻
動(dòng)力電池模組由多個(gè)電芯組成，正常工作的時(shí)候，動(dòng)力電池模組電芯的溫度是均勻的，而在動(dòng)力電池模組出現(xiàn)異常情況下，不同的動(dòng)力電池模組電芯的溫度會(huì)出現(xiàn)較大的溫差。
通常選用3～4個(gè)采集點(diǎn)來(lái)監(jiān)控整個(gè)動(dòng)力電池模組的溫度，采集的溫度數(shù)據(jù)輸入動(dòng)力電池模組管理單元后，由動(dòng)力電池模組管理單元推算出整個(gè)動(dòng)力電池模組管理單元的溫度情況。
在設(shè)計(jì)動(dòng)力電池模組溫度采集點(diǎn)時(shí)，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(dòng)力電池模組電芯表面。在動(dòng)力電池模組電芯的特性比較均勻時(shí)，NTC熱敏電阻在動(dòng)力電池模組電芯表面上布置時(shí)，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(dòng)力電池模組的兩個(gè)端板處，在動(dòng)力電池模組的端板上嵌入NTC熱敏電阻，這樣能夠準(zhǔn)確的感知頭尾兩片動(dòng)力電池電芯的溫度，根據(jù)采集頭尾兩片動(dòng)力電池電芯的溫度推算出整個(gè)動(dòng)力電池模組電芯的溫度。
3）采集動(dòng)力電池電芯互聯(lián)板上端的溫度，即把NTC熱敏電阻嵌入到動(dòng)力電池電芯的內(nèi)部互聯(lián)板里面，開(kāi)準(zhǔn)確的感知?jiǎng)恿﹄姵仉娦镜淖罡邷囟取?/div>
4）采集動(dòng)力電池模組母線(xiàn)溫度，在動(dòng)力電池模組母線(xiàn)上設(shè)有凹槽，溫度傳感器固定于所述凹槽中，凹槽內(nèi)設(shè)有用于固定溫度傳感器的固定膠。
5）采集動(dòng)力電池模組蓋板表面的溫度，將NTC熱敏電阻直接粘貼在動(dòng)力電池模組蓋板上。在NTC熱敏電阻與動(dòng)力電池母線(xiàn)排、電芯互聯(lián)板連接或與動(dòng)力電池模組電芯表面、蓋板表面上粘合時(shí)，需要考慮操作工藝對(duì)NTC熱敏電阻的影響。在固定過(guò)程中若操作不當(dāng)，可能會(huì)造成NTC熱敏電阻斷線(xiàn)、短路或引線(xiàn)涂層斷裂。
因NTC熱敏電阻內(nèi)部的基材陶瓷屬于易碎材料，在連接或粘貼的過(guò)程處理中不能施加過(guò)大壓力或沖擊，否則會(huì)導(dǎo)致引線(xiàn)與元件之間的接合部斷開(kāi)，或?qū)е略屏选Ｔ谶B接或粘貼時(shí)還需考慮NTC熱敏電阻在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不同材料的膨脹系數(shù)，否則產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力損壞NTC熱敏電阻本身。
原創(chuàng)： 周志敏
