摘要：鋰電池作為儲(chǔ)能技術(shù)的重要載體，其安全性和可靠性備受關(guān)注。相較于電壓、電流，鋰電池的內(nèi)部溫度能夠更加直觀地反應(yīng)其工作狀態(tài)，因此溫度是未來智能電池多維監(jiān)測(cè)中必不可少的物理量之一。介紹了一種負(fù)溫度系數(shù)(NTC)溫度傳感器植入到小型軟包電池中進(jìn)行原位溫度監(jiān)測(cè)的可行性研究。溫度傳感器通過植入工藝可以便捷地植入到鋰電池內(nèi)部并保證電池良好的密封性。進(jìn)一步研究了鋰電池工作時(shí)溫度的變化特性，對(duì)后續(xù)研究電池模擬仿真的優(yōu)化提供理論支撐。
關(guān)鍵詞：鋰電池；溫度；薄膜傳感器；電池安全
近年來，鋰離子電池憑借其高電壓、高能量密度以及長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用，如電動(dòng)汽車、航天航空、便攜式設(shè)備等領(lǐng)域。然而，鋰電池在使用過程中存在一定的安全隱患，在機(jī)械濫用、電濫用、極端高溫等情況下可能發(fā)生熱失控，威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全。為了保證電池安全穩(wěn)定運(yùn)行，電池溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為電池管理系統(tǒng)(BMS)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。
在電池工作過程中，溫度在內(nèi)部呈梯度變化，即電池內(nèi)部溫度與電池表面溫度存在一定的溫差。因此，電池溫度監(jiān)測(cè)分為電池內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)和電池表面溫度監(jiān)測(cè)。內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)主要為熱敏電阻[1]、熱電偶[2]、光纖傳感器[3]和仿真模型預(yù)測(cè)[4]等，電池外部溫度監(jiān)測(cè)主要為紅外熱成像[5]、X射線掃描[6]、仿真模型預(yù)測(cè)[4]等。在發(fā)生熱失控前，電池表面溫度監(jiān)測(cè)很難精準(zhǔn)檢測(cè)到電池內(nèi)部某處發(fā)生的熱積累，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)熱失控事件的提前預(yù)警[7]，而電池內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)到電池內(nèi)部異常溫升狀況，對(duì)電池的安全具有重大意義。另外，電池內(nèi)部溫度檢測(cè)也為電池管理算法提供了新的思路，如電池內(nèi)部溫度與開路電壓法結(jié)合實(shí)現(xiàn)快速荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)[8]。
目前，內(nèi)部溫度測(cè)定方法包括三種類型，即接觸測(cè)量、溫度估測(cè)和無損檢測(cè)技術(shù)。其中，后兩種方法通過算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池內(nèi)部溫度的預(yù)估，無需將傳感器植入電池[7]。溫度估算處理方法一般通過可測(cè)量的信號(hào)，如電流、電壓、環(huán)境條件等，來估算電池內(nèi)部電芯溫度，常用的溫度估測(cè)方法是基于電池表面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真模型預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)的。Chalise等[9]通過Pt-100溫度傳感器附著在電池表面測(cè)量溫度的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于循環(huán)過程中管理能量方程的遞歸解決方案，該理論計(jì)算速度比有限元模擬快16倍，并且發(fā)現(xiàn)與超過50個(gè)18650電池高速循環(huán)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合。但Pt-100溫度傳感器的探頭為針狀，植入電池內(nèi)部會(huì)破壞電極結(jié)構(gòu)，僅限于測(cè)量電池表面溫度為模型提供對(duì)比數(shù)據(jù)，對(duì)于電池內(nèi)部溫度估計(jì)的準(zhǔn)確度仍有待提高。無損檢測(cè)技術(shù)主要通過紅外熱成像等遠(yuǎn)程傳感測(cè)量實(shí)現(xiàn)。Du等[10]將電池頂部替換成紅外光玻璃，用常規(guī)紅外測(cè)溫手段可以測(cè)得電池截面溫度分布情況，研究了不同放電倍率對(duì)溫度的影響，得到電池溫度存在梯度和不均勻的結(jié)論。該方法可以直觀地觀察到溫度變化情況，但其成本較高，且僅限于電池截面溫度測(cè)量，仍無法準(zhǔn)確測(cè)得電池內(nèi)部溫度。溫度估測(cè)以及無損檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)內(nèi)部溫度的估算，但受電池復(fù)雜環(huán)境影響，對(duì)于內(nèi)部實(shí)際溫度的高精度測(cè)量，溫度估測(cè)和無損檢測(cè)技術(shù)都會(huì)出現(xiàn)不同程度的檢測(cè)誤差和算法誤差，而接觸測(cè)量可以更加直接和準(zhǔn)確地進(jìn)行電池內(nèi)部溫度測(cè)定。Raghavan等[11-12]構(gòu)建了附著在電極上的嵌入式光纖(FO)傳感器，使用FO傳感器測(cè)量電池內(nèi)部應(yīng)變和溫度信號(hào)，并用于電池估計(jì)算法中，但該傳感器只能得到溫度-應(yīng)變聯(lián)合信號(hào)，僅用于估算電池電荷狀態(tài)和電池健康狀態(tài)，溫度信號(hào)需要辨識(shí)，且其單個(gè)成本高達(dá)幾百美元。
本文報(bào)道了一種新的負(fù)溫度系數(shù)(NTC)薄膜溫度傳感器的測(cè)量溫度方案，包括鋰離子電池電芯內(nèi)部植入薄膜溫度傳感器以及電池不同狀態(tài)下內(nèi)外部溫度監(jiān)測(cè)，并通過分析溫度變化規(guī)律，對(duì)電池不同工作狀態(tài)的熱特性進(jìn)行總結(jié)。相比于接觸式測(cè)溫中的光纖傳感器，NTC薄膜溫度傳感器的成本較低，測(cè)溫方法簡(jiǎn)單，不需要辨識(shí)聯(lián)合信號(hào)；相比于Pt-100溫度傳感器，NTC薄膜溫度傳感器的片狀結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞電池極片，更容易封裝在內(nèi)部，能更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到電池在充放電過程中的內(nèi)部溫度變化。
一、實(shí)驗(yàn)
1.1 傳感器及校準(zhǔn)、傳輸方案
NTC溫度傳感器的電阻隨溫度上升顯著減小，是具有負(fù)溫度系數(shù)特點(diǎn)的熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳、鐵、銅和鋁等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。Pt-100溫度傳感器以鉑(Pt)為材料制造而成，是具有正溫度系數(shù)特點(diǎn)的熱敏電阻器，即溫度升高時(shí)電阻值上升。當(dāng)單位溫度變化時(shí)，Pt-100溫度傳感器的電阻值變化幅度相對(duì)NTC溫度傳感器較小，NTC材料對(duì)溫度變化更加敏感，可以實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量。光纖傳感器的原理是基于光纖材料的熱敏特性和光學(xué)原理的相互作用，首先將光經(jīng)光纖送入調(diào)制器，再通過調(diào)制器測(cè)量被調(diào)制光的特征參量，如波長(zhǎng)、振幅等，來間接測(cè)量溫度。與光纖傳感器相比，NTC溫度傳感器測(cè)溫方式更加直接，響應(yīng)速度更快，成本也更低。NTC溫度傳感器靈敏度高，熱感應(yīng)快，可靠性高，阻值精度高，并且其芯片封裝在聚酰亞胺(PI)基底內(nèi)部，由于PI材料對(duì)溫度傳感器的保護(hù)，NTC溫度傳感器在電池內(nèi)部惡劣的電化學(xué)環(huán)境中不受破壞，可正常維持功能。
在實(shí)驗(yàn)前，需要對(duì)NTC溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，具體為測(cè)量電阻值隨溫度變化情況。在校準(zhǔn)過程中使用的熱源為恒溫恒濕試驗(yàn)箱。將NTC溫度傳感器放入恒溫恒濕試驗(yàn)箱，20～80 ℃調(diào)整溫度，使用高精度電阻儀測(cè)量不同溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電阻值，每次調(diào)整溫度后定時(shí)，溫度穩(wěn)定時(shí)開始測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后得到溫度-電阻校準(zhǔn)曲線，該曲線與NTC溫度傳感器數(shù)據(jù)手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)溫度-電阻關(guān)系進(jìn)行對(duì)比來檢查傳感器能否正常工作，確認(rèn)傳感器能正常工作后，將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度-電阻校準(zhǔn)曲線擬合成數(shù)據(jù)關(guān)系，用于檢測(cè)電池內(nèi)部溫度，結(jié)果如圖1(a)所示。
將NTC溫度傳感器的引腳用導(dǎo)線連接到信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊上，然后信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊與STM32單片機(jī)對(duì)應(yīng)引腳相連，單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理，并將處理后的溫度數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)。
1.2 傳感器植入電池方案
電池采用LiCoO2//C軟包電池。電解液采用1.0 mol/L的LiPF6/碳酸乙烯酯(EC)+DEC(碳酸二甲酯)（體積比1∶1）。實(shí)驗(yàn)全程在充滿Ar氣的手套箱中操作，首先對(duì)電芯進(jìn)行處理，選擇電芯中間位置的負(fù)極作為NTC薄膜溫度傳感器放置位置，使用棉簽蘸取少量N-甲基吡咯烷酮(NMP)輕輕刮去該位置上的活性物質(zhì)，露出集流體，將NTC溫度傳感器粘貼到該位置上，重新卷繞電芯，固定好帶有傳感器的電芯。將極耳位置和傳感器引線處固定一定的極耳膠，用來保證封裝的密閉性。使用鋁塑膜對(duì)電芯重新封裝、注液，使用真空封口機(jī)完成電池封裝。將封裝好的電池放在40 ℃下進(jìn)行浸潤(rùn)。組裝好的電池如圖1(b)所示，使用新威高性能檢測(cè)系統(tǒng)(CT-4008T-5V6A-S1)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖1 NTC傳感器校正曲線(a)與實(shí)物圖(b)
1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
1.3.1 電池內(nèi)外溫度測(cè)量
將植入溫度傳感器的電池表面粘貼相同的NTC溫度傳感器，進(jìn)行內(nèi)外溫度對(duì)比實(shí)驗(yàn)。電池放置在室溫環(huán)境中固定，1 C恒流充電至4.2 V，充電完成后1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，測(cè)試期間同時(shí)采集電池表面溫度和內(nèi)部溫度。將上述步驟一共重復(fù)3次。
1.3.2 不同擱置時(shí)間溫度測(cè)量
實(shí)驗(yàn)在室溫下分三個(gè)階段進(jìn)行。
第一階段：1 C恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后擱置15 min后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，擱置15 min。測(cè)試期間同時(shí)采集內(nèi)部溫度，將上述步驟一共重復(fù)3次。
第二階段：1 C恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后擱置30 min后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，擱置30 min。測(cè)試期間同時(shí)采集內(nèi)部溫度，將上述步驟一共重復(fù)3次。
第三階段：1 C恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后擱置60 min后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，擱置60 min。測(cè)試期間同時(shí)采集內(nèi)部溫度，將上述步驟一共重復(fù)3次。
1.3.3 相同擱置時(shí)間溫度測(cè)量
實(shí)驗(yàn)在恒溫下進(jìn)行，設(shè)置恒溫箱環(huán)境溫度為23 ℃，將電池放置于恒溫箱中，0.5 C恒流充電至4.2 V，擱置15 min后，充電完成，0.5 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，擱置15 min。測(cè)試期間同時(shí)采集電池內(nèi)部溫度，將上述步驟一共重復(fù)4次。
1.3.4 不同放置位置溫度測(cè)量
采用1.2節(jié)中傳感器植入方案，在兩個(gè)電池不同位置放置傳感器，一個(gè)電池的傳感器位于遠(yuǎn)離電池極耳的尾部，另一個(gè)電池的傳感器位于靠近電池極耳的頭部。實(shí)驗(yàn)在恒溫下進(jìn)行，設(shè)置恒溫箱環(huán)境溫度為45 ℃，將電池放置于恒溫箱中，對(duì)兩個(gè)電池1 C恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電。測(cè)試期間分別同時(shí)采集兩個(gè)電池的內(nèi)部溫度，將上述步驟一共重復(fù)5次。
1.3.5 不同倍率下溫度測(cè)量
實(shí)驗(yàn)在恒溫下進(jìn)行，設(shè)置恒溫箱環(huán)境溫度為30 ℃，將電池放置于恒溫箱中，對(duì)電池分別進(jìn)行1 C、1.5 C、2 C恒流充放電測(cè)試，恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后，恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，測(cè)試期間同時(shí)采集內(nèi)部溫度。
1.3.6 傳感器植入對(duì)電池性能的影響
將普通無傳感鋰電池與植入傳感器的鋰電池進(jìn)行對(duì)比研究，電池額定容量為1 000 mAh，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，兩個(gè)電池分別進(jìn)行恒流充放電循環(huán)測(cè)試。1 C恒流充電至4.2 V，充電結(jié)束后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，將上述步驟進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)周期為100次。將循環(huán)后的兩個(gè)電池分別進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測(cè)試(EIS)，頻率范圍0.1 Hz～100 kHz。
1.3.7 深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)內(nèi)部溫度與傳感器實(shí)測(cè)對(duì)比
采用1.2節(jié)中傳感器植入方案，重新制備植入溫度傳感器的鋰電池，將該電池表面粘貼相同的NTC溫度傳感器。實(shí)驗(yàn)在恒溫下進(jìn)行，設(shè)置恒溫箱環(huán)境溫度為40 ℃，將電池放置于恒溫箱中，1 C恒流充電至4.2 V，擱置10 min，充電完成后，1 C恒流放電到2.7 V結(jié)束放電，擱置10 min。測(cè)試期間同時(shí)采集電池內(nèi)部溫度和表面溫度，將上述步驟一共重復(fù)2次。
建立長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(LSTM)深度學(xué)習(xí)模型，模型框架圖如圖2所示。
圖2 LSTM模型框架圖
在完成深度學(xué)習(xí)模型構(gòu)建后，會(huì)使用之前訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行初步測(cè)試，稱為訓(xùn)練集，訓(xùn)練集測(cè)試完成后，會(huì)用另外一組在構(gòu)建模型時(shí)模型沒有接觸過的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，稱為測(cè)試集。以1.3.1節(jié)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為訓(xùn)練集，對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練。輸入值為電壓和表面溫度，輸出為內(nèi)部溫度。訓(xùn)練集測(cè)試完成后，用另外一組在構(gòu)建模型時(shí)模型沒有接觸過的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，稱為測(cè)試集。
將本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為測(cè)試集，電壓和電池表面溫度采集值輸入訓(xùn)練好的LSTM模型中，模型輸出預(yù)測(cè)的電池內(nèi)部溫度。將內(nèi)部溫度的模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。
選取平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)、均方根誤差(RMSE)和相關(guān)系數(shù)(R2)對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。MAPE表征模型的估計(jì)精度，RMSE表示預(yù)測(cè)誤差，R2表示預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的相關(guān)程度。以上評(píng)價(jià)指標(biāo)的表達(dá)式如下：
二、結(jié)果與討論
2.1 常溫下鋰電池內(nèi)外溫度變化規(guī)律
電池內(nèi)部和電池外部的NTC溫度傳感器分別測(cè)量電池內(nèi)外的溫度變化，結(jié)果如圖3所示。在一個(gè)電池充放電周期中，電池溫度持續(xù)升高，放電結(jié)束后溫度達(dá)最大值；在下一周期充電初期，電池溫度迅速下降。電池內(nèi)外溫度變化趨勢(shì)相同，電池內(nèi)部溫度最大值與最小值之差為5 ℃，電池表面溫度最大值與最小值之差為7.8 ℃。電池內(nèi)部溫度和電池外部溫度在放電階段持續(xù)升高是由于電池內(nèi)部反應(yīng)放熱、歐姆熱和極化熱共同作用造成的；在放電結(jié)束后熱累積到最大值，充電初期由于充電反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，溫度急劇下降至初始值左右。當(dāng)充電反應(yīng)吸收的熱量小于歐姆熱和極化熱時(shí)，溫度開始上升。
對(duì)比電池內(nèi)外傳感器，電池內(nèi)部溫度始終高于外部溫度，最高內(nèi)外溫度之差為0.8 ℃，最低內(nèi)外溫度之差為0.4 ℃。電池內(nèi)部與電池表面始終存在一定的溫差，這種溫差產(chǎn)生的原因是電池外殼為鋁材質(zhì)，散熱效果較好，電池在工作過程中內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生熱量會(huì)迅速傳遞到電池表面，電池外殼迅速散熱，因此電池內(nèi)部溫度始終高于外部溫度，本研究采用的電池內(nèi)部植入NTC溫度傳感器的方法可以有效檢測(cè)到電池內(nèi)部溫度。
圖3 內(nèi)外傳感器溫度-電壓關(guān)系圖
2.2 鋰電池內(nèi)溫度隨擱置時(shí)長(zhǎng)的影響
不同擱置時(shí)長(zhǎng)對(duì)電池內(nèi)部溫度產(chǎn)生的影響如圖4(a)所示，電池溫度規(guī)律在一個(gè)充放電周期內(nèi)可分為四個(gè)階段，分別是充電、充電后擱置、放電、放電結(jié)束后擱置。隨著擱置時(shí)間的增加，電池在充電后擱置階段和放電結(jié)束后擱置階段的平均降溫幅度增加，電池在不同階段下不同擱置時(shí)間內(nèi)的降溫幅度如表1所示。在擱置階段，電池充電反應(yīng)或放電反應(yīng)停止，反應(yīng)吸熱過程或放熱過程隨之停止，該階段的反應(yīng)熱為零；當(dāng)電池不再充電或放電時(shí)，極耳和內(nèi)部均無電流流過，因此該階段的歐姆熱和極化熱為零。擱置階段出現(xiàn)降溫是因?yàn)闊崃繘]有繼續(xù)產(chǎn)生，并且之前充電累積的熱量在逐漸耗散，所以溫度出現(xiàn)降落，擱置時(shí)間的增加使熱量的累積耗散量增加。
2.3 鋰電池恒溫下的內(nèi)部溫度變化
電池充放電倍率、環(huán)境溫度和擱置時(shí)間均相同時(shí)，電池內(nèi)部溫度變化規(guī)律如圖4(b)～(c)所示。圖4(c)為對(duì)圖4(b)中t=40 000 s左右區(qū)間進(jìn)行放大分析，可以看出前900 s為放電結(jié)束后擱置時(shí)間，在此期間電池溫度呈下降趨勢(shì)，溫度降落為4.9 ℃；由于擱置期間電池受松弛效應(yīng)影響，電壓出現(xiàn)短暫的回升；在后1 440 s時(shí)間段內(nèi)，為電池充電初期，電壓快速上升至3.8 V左右，溫度繼續(xù)降低，總溫度降落為1.8 ℃。
通過對(duì)一個(gè)充電周期內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，在電池充電初期，溫度短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)一定幅度的降低后，開始升高，這是由于電池充電反應(yīng)屬于吸熱過程，因而初期電池表現(xiàn)為溫度降低。隨著充電時(shí)間的增加，電池產(chǎn)生的歐姆熱和極化熱超過了充電反應(yīng)的吸收的熱量，因此充電時(shí)溫度變化趨勢(shì)為先降低后升高；電池放電后溫度繼續(xù)升高，放電完成后溫度達(dá)到最高值。這是由于電池放電反應(yīng)為放熱反應(yīng)，再加上歐姆熱和極化熱，所以電池溫度呈升高趨勢(shì)。另外，從圖中不難發(fā)現(xiàn)，充電時(shí)的溫升速率和放電時(shí)的溫升速率不同，說明電池充電過程和放電過程中，由于反應(yīng)的熵變不同，歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻存在微小差異，導(dǎo)致電池內(nèi)部的產(chǎn)熱速率不同[13]。
圖4不同擱置時(shí)間電壓-溫度數(shù)據(jù)圖(a)、相同擱置時(shí)間的0.5 C充放電循環(huán)測(cè)試圖(b)及其局部放大圖(c)
2.4 鋰電池內(nèi)不同位置溫度分析
傳感器不同放置位置測(cè)試結(jié)果如圖5(a)所示，遠(yuǎn)離極耳端的溫度在各個(gè)階段均略低于靠近極耳端的溫度。結(jié)合圖3可得出結(jié)論，鋰電池在充放電周期中，存在熱梯度，具體表現(xiàn)為內(nèi)部的均溫要高于外部均溫，內(nèi)部靠近極耳的均溫高于遠(yuǎn)離極耳端的均溫。這是由于極耳處流過電流時(shí)，極耳本身的內(nèi)阻引發(fā)歐姆熱，所以極耳會(huì)影響電池的熱分布。
極耳輸出電流時(shí)產(chǎn)生的歐姆熱導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度分布不均勻，在研究電池內(nèi)部溫度場(chǎng)時(shí)可以考慮在不同位置放置溫度傳感器。
2.5 不同倍率對(duì)鋰電池溫度變化影響
電池在不同倍率下的溫度變化規(guī)律實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示，電池在1 C、1.5 C、2 C下的最高溫度分別約為38、43、46 ℃，最低溫度分別約為30、33、38 ℃。電池在不同倍率下同一周期的溫度變化規(guī)律相同，即在充電初期一段時(shí)間內(nèi)溫度下降，充電后期溫度上升，放電過程溫度持續(xù)上升；電池整體溫度隨著充放電倍率的增大而升高，主要是由于充放電倍率決定充放電電流，電流的增大使產(chǎn)生的歐姆熱增加，因此高倍率條件下溫度顯著升高。倍率的提高使電池內(nèi)部極化加深，電池內(nèi)部離子擴(kuò)散速度小于電子傳導(dǎo)速度，具體為正負(fù)極的擴(kuò)散極化和電化學(xué)反應(yīng)極化阻抗增大，極化熱隨之增加。綜上，電池充放電倍率的提高導(dǎo)致歐姆熱和極化熱增加，二者共同作用使內(nèi)部溫度上升。
電池在高倍率下充放電時(shí)，發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)將倍率控制在合理范圍內(nèi)，同時(shí)保證電池的充電速度和安全性。通過本文介紹的溫度傳感器植入電池內(nèi)部的方法可以提高溫度監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，從而使電池管理系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取散熱等措施，提高電池安全性。
2.6 傳感器對(duì)鋰電池的影響
植入傳感器對(duì)電池容量和庫(kù)侖效率的影響如圖5(c)所示，在100次循環(huán)后，植入傳感器的電池容量為845.7 mAh，容量保持率為84.6%，無植入傳感器的電池容量保持率為84.8%，有傳感器電池和無傳感器電池的庫(kù)侖效率均達(dá)99%，因此傳感器的植入對(duì)鋰電池的容量衰減和庫(kù)侖效率影響極小。兩個(gè)電池的電化學(xué)阻抗譜分析(EIS)及擬合電路如圖5(d)所示。
圖5 恒定溫度下1 C充放電遠(yuǎn)離或靠近電極溫度測(cè)試圖(a)、相同倍率下充放電循環(huán)測(cè)試圖(b)、傳感器對(duì)容量和庫(kù)侖效率的影響(c)以及EIS測(cè)試圖(d)
由圖5(d)電化學(xué)阻抗譜擬合得到的鋰電池歐姆阻抗RS和電荷傳遞阻抗Rct如表2所示，植入傳感器的電池的RS略高于無植入傳感器的電池，這是因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯闹踩胧辜黧w與正負(fù)極界面之間的阻抗變大?？紤]到電池單體存在不一致性，且RS變化幅度較小，約0.03 Ω，可以得出植入傳感器對(duì)電池的歐姆阻抗影響較小的結(jié)論。植入傳感器的電池的Rct略高于無植入傳感器的電池，是因?yàn)橹踩氲臏囟葌鞲衅髡加昧瞬糠蛛娦久娣e，該處的電化學(xué)反應(yīng)較為困難，但Rct變化幅度較小，約0.02 Ω，是因?yàn)楸粋鞲衅髡加玫拿娣e相對(duì)于電芯總面積極小，這說明傳感器的植入對(duì)電池內(nèi)部傳質(zhì)過程產(chǎn)生的影響較小。從圖5(d)和表1可以得出植入傳感器對(duì)電池阻抗的影響較小的結(jié)論。
綜上，本文植入傳感器的方案對(duì)于電池性能的影響較小，且可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電池充放電過程中的溫度變化，可直接反應(yīng)電池不同階段溫度變化規(guī)律，為電池管理系統(tǒng)提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
2.7 深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)內(nèi)部溫度與傳感器實(shí)測(cè)對(duì)比分析
圖6為深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)內(nèi)部溫度與溫度傳感器實(shí)測(cè)值對(duì)比圖，可以看出，訓(xùn)練集與測(cè)試集的預(yù)測(cè)值均接近實(shí)際溫度。各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。
(a)訓(xùn)練集中 (b)測(cè)試集中
圖6 訓(xùn)練集與測(cè)試集中內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖
本文所用在電池內(nèi)部植入溫度傳感器的電池內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)方法驗(yàn)證了基于LSTM深度學(xué)習(xí)的內(nèi)部溫度預(yù)測(cè)模型在模型訓(xùn)練時(shí)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，有利于預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確建立。在模型應(yīng)用過程中，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比，評(píng)估了模型預(yù)測(cè)結(jié)果的MAPE、RMSE、R2指標(biāo)，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。因此，除了實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，本文介紹的傳感器植入電池內(nèi)部的方法還可以作為數(shù)據(jù)支撐，應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)中的各類算法預(yù)測(cè)和估計(jì)中。
三、結(jié)論與展望
本文提出了一種基于NTC溫度傳感器的電池內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)方案。基于內(nèi)外溫度傳感器，測(cè)量了鋰電池在不同工況、不同運(yùn)行環(huán)境下內(nèi)外溫度變化，對(duì)其變化規(guī)律與電池充放電過程進(jìn)行分析，并對(duì)電池不同充放電過程產(chǎn)熱特性進(jìn)行總結(jié)。同時(shí)在電池電性能測(cè)試方面，傳感器植入后的電池容量保持較好，庫(kù)侖效率高達(dá)99%，歐姆阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗變化較小，說明傳感器的植入對(duì)電池的容量、循環(huán)性能和阻抗性能幾乎無影響。本文的電池內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)方案比常用的電池表面溫度監(jiān)測(cè)方案準(zhǔn)確性更高，對(duì)于研究電池在不同工況下的溫度變化以及分析相應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)具有重要意義，另外，可以更好地為電池管理系統(tǒng)中算法預(yù)測(cè)中與溫度相關(guān)的其它性能指標(biāo)提供原始數(shù)據(jù)，從而提高工作中電池的安全性。
