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为什么温度对实现电池最佳性能如此重要?

博客 · 2022年10月5日

电池供电设备在社会中无处不在,而且随着电动汽车市场的发展,这一趋势只会进一步加强。由此带来了对功率更高、续航更长、性能更好的电池的需求。与此同时,也需要更严格的安全法规,以确保这些性能不断提升的电池在安全性上不打折扣。正因如此,制造商必须充分考虑温度对于实现电池最佳性能与特性的重要性。温度与电池之间涉及诸多需要考虑的因素,下面我们将讨论其中几项。

电池的安全区间

低温

在长时间低温环境下,许多电池中的电解液会变得更加黏稠,导致性能持续下降。最终,随着电解液冻结,电池将停止工作。由此造成的功能丧失可能是不可逆的。

高温

高温同样会引发问题,而且对电池而言往往更加危险。只需短时间暴露于高温,就会缩短可充电电池的寿命。当达到临界点时,负极和正极可能发生分解,隔膜可能熔化,从而因热失控引发电池起火。

电池在工作过程中会产热和吸热,其程度会随环境条件、充放电倍率、荷电状态以及电池老化程度而变化,因此在电池设计中需要考虑热管理。

充放电曲线

热管理

未能正确管理电池产品的热行为,可能损害制造企业或产品的声誉,并导致客户不满。因此,许多电池开发商都非常谨慎,会确保电池温度保持在严格设定的范围内,以避免重蹈三星 2017 年 S8 Note 智能手机和通用汽车 2021 年雪佛兰 Bolt 电动汽车的覆辙。

出于这种谨慎,制造商通常会为电池供电产品的使用推荐一个非常窄的最佳温度范围,或者限制电池性能以减少产热。这一点在电动滑板车上可见一斑:它们往往充电速度较慢,或从静止加速到最高速度的能力较低,以减少产热、降低风险。一些热管理系统还会在使用过程中主动为电池降温。

热行为

了解热行为并能够对其进行表征至关重要,这不仅针对电池包,也针对其中的单个电芯。原因在于,单个电芯产生的热量可以迅速散发到环境中,因此不应出现明显的温升。然而,当把该电芯组装进模组或电池包后,它会被同样产热的其他电芯包围,能够散出系统的能量减少,从而导致显著的温升。

电池漏斗

了解电池的热行为有助于界定并拓展安全与最佳运行的边界,而借助反应量热仪,这项工作可以变得更加简单。绝热、等温和等环境(isoperibolic)量热仪均可帮助您确定电池的安全运行极限。BTC-130 和 BTC-500 等绝热量热仪可进行破坏性测试,考察电池在极端条件下的表现;而 iso-BTC 和 iso-BTC+ 等等温及等环境测试量热仪则属于非破坏性测试,可用于电池的热表征。

总结

随着世界对电池的依赖日益加深,对功率更大、续航更长的电池的需求正在迅速增长。然而,满足这一需求必须以严格的测试为前提,以确保所有制造的电池安全且符合预期用途。只有借助合适的设备和测试,才能针对不同应用和环境确定电池的关键区间(最佳区间、安全区间和危险区间)。对温度影响电池的认识不足,可能导致电池过热、性能下降、寿命缩短,在极端情况下甚至引发电池起火。随着需求增长,安全性和性能都不能妥协,因此电池制造商必须配备合适的测试设备,从而依据可靠、稳健的数据做出明智决策。