【導(dǎo)讀】本文重點論述了溫度對鋰動力電池的荷電保持能力、壽命的影響及鋰動力電池低高溫特性，探討了鋰動力電池溫度傳感器的選擇要點及在鋰電鋰電池模組內(nèi)的布置方式。
1.國標(biāo)對動力電池的要求及溫度對鋰動力電池的影響：
（1）國標(biāo)要求：
國標(biāo)GB/T31486-2015“電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗要求”，是關(guān)于單體電池和模塊的最新國標(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）溫度對鋰動力電池荷電保持能力的影響：
鋰動力電池的自放電是指鋰動力電池在開路擱置時自動放電現(xiàn)，鋰動力電池發(fā)生自放電將直接減少鋰動力電池可輸出的電量，使鋰動力電池容量降低。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)，鋰動力電池的兩個電極各自發(fā)生氧化還原反應(yīng)的結(jié)果。
在兩個電極中，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，可以用自放電率來表示，即規(guī)定時間內(nèi)鋰動力電池容量降低的百分?jǐn)?shù)來表示：
式中：Y%為自放電率；C1為閥控密封式鉛酸鋰動力電池擱置前的容量；C2為鋰動力電池擱置后的容量；T為鋰動力電池的擱置時間，一般用天、周、月或年來表示。
鋰動力電池自放電速率的大小是由動力學(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。
鋰動力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。鋰動力電池的荷電保持能力強，允許工作溫度范圍寬。自放電主要受制造工藝，材料，儲存條件的影響自放電是衡量鋰動力電池性能的主要參數(shù)之一。鋰動力電池儲存溫度越低，自放電率也越低，但也應(yīng)注意溫度過低或過高均有可能造成鋰動力電池?fù)p壞而導(dǎo)致無法使用。
（3）溫度對鋰動力電池壽命的影響：
溫度的升高對鋰動力電池的日歷壽命和循環(huán)壽命都有影響，溫度對鋰動力電池壽命的影響符合阿倫尼烏斯方程，鋰動力電池溫度升高，反應(yīng)速度加快，相關(guān)研究表明鋰動力電池溫度每升高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℃溫度下的輸出容量僅為163kWh。
溫度上升10℃，電芯的循環(huán)壽命下降了近50%。由此可見，溫度對鋰動力電池的循環(huán)壽命有很大的影響。所以在鋰動力電池的使用過程中，應(yīng)該盡量避免電池長期在高溫條件下使用，尤其需要避免鋰動力電池在高溫條件下的高倍率充放電循環(huán)，這也是車用動力電池必須進行溫度控制的一個主要原因。
2.鋰動力電池低高溫特性：
（1）鋰動力電池低溫特性：
鋰動力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(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膜電阻在整個溫度范圍內(nèi)變化不大，對鋰動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。
這是因為隨著溫度的降低，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，在鋰動力電池的放電曲線上就表現(xiàn)為平均電壓和放電容量均隨著溫度降低而降低。
鋰動力電池在低溫充電過程中的歐姆極化、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，在放電曲線上表現(xiàn)為放電平臺和放電容量降低。
鋰動力電池在低溫條件下，化學(xué)反應(yīng)活性降低，同時鋰離子遷移變慢，在負(fù)極表面的鋰離子還沒有嵌入到負(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，進而損壞電池，造成安全事故。
（2）鋰動力電池高溫特性：
鋰動力電池在120℃高溫下，鋰動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行反應(yīng)。
鋰動力電池在85℃下循環(huán)，鋰動力電池的負(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，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，造成鋰動力電池容量的下降。
3.鋰動力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電池模組內(nèi)的溫度時，在選擇NTC熱敏電阻時應(yīng)考慮的因素有：
1）NTC熱敏電阻外殼應(yīng)光潔、色澤均勻、無裂縫、無變形、無嚴(yán)重劃傷，每批產(chǎn)品（含引出線）的顏色應(yīng)一致，無任何腐蝕。在每只NTC熱敏電阻的外殼表面應(yīng)有永久性型號、序號。
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)、線材、端子、連接器、環(huán)氧樹脂或其他填充材料等組成，在選擇時要根據(jù)不同的工作環(huán)境溫度來選擇不同材質(zhì)的NTC熱敏電阻。
3）精度（整個測量誤差±2℃以內(nèi)）。NTC熱敏電阻在整個溫度檢測范圍內(nèi)線性度好，NTC熱敏電阻的特性符合整個參數(shù)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(shù)精度對溫度檢測精度的影響；NTC熱敏電阻熱擴散常數(shù)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(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精度的一個重要環(huán)節(jié)。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(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(nèi)的精度都是一樣的。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(jù)R-T曲線的離散性，離中心工作溫點越遠(yuǎn)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(yīng)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(yīng)用場合要求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間常數(shù)。熱時間常數(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)時間會相應(yīng)短，反應(yīng)速度會快一點。
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)熱硅脂的會比沒填充填充了導(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)熱將影響溫度測量，并應(yīng)具有高的可靠性（冷熱沖擊性能優(yōu)越），熱時間常數(shù)要?。憫?yīng)速度快）。
6）穩(wěn)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(wěn)定性。影響NTC熱敏電阻長期穩(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，并要有較強的機械強度。
③針對不同的使用環(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)無機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
動力電池模組由多個電芯組成，正常工作的時候，動力電池模組電芯的溫度是均勻的，而在動力電池模組出現(xiàn)異常情況下，不同的動力電池模組電芯的溫度會出現(xiàn)較大的溫差。
通常選用3～4個采集點來監(jiān)控整個動力電池模組的溫度，采集的溫度數(shù)據(jù)輸入動力電池模組管理單元后，由動力電池模組管理單元推算出整個動力電池模組管理單元的溫度情況。
在設(shè)計動力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電池模組電芯表面。在動力電池模組電芯的特性比較均勻時，NTC熱敏電阻在動力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電池模組的兩個端板處，在動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力電池電芯的溫度，根據(jù)采集頭尾兩片動力電池電芯的溫度推算出整個動力電池模組電芯的溫度。
3）采集動力電池電芯互聯(lián)板上端的溫度，即把NTC熱敏電阻嵌入到動力電池電芯的內(nèi)部互聯(lián)板里面，開準(zhǔn)確的感知動力電池電芯的最高溫度。
4）采集動力電池模組母線溫度，在動力電池模組母線上設(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）采集動力電池模組蓋板表面的溫度，將NTC熱敏電阻直接粘貼在動力電池模組蓋板上。在NTC熱敏電阻與動力電池母線排、電芯互聯(lián)板連接或與動力電池模組電芯表面、蓋板表面上粘合時，需要考慮操作工藝對NTC熱敏電阻的影響。在固定過程中若操作不當(dāng)，可能會造成NTC熱敏電阻斷線、短路或引線涂層斷裂。
因NTC熱敏電阻內(nèi)部的基材陶瓷屬于易碎材料，在連接或粘貼的過程處理中不能施加過大壓力或沖擊，否則會導(dǎo)致引線與元件之間的接合部斷開，或?qū)е略屏?。在連接或粘貼時還需考慮NTC熱敏電阻在整個溫度范圍內(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
