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接触热电偶对锂离子电池组的外部能量损失的影响外部能量损失的影响

作时间:2016-11-03  来源:  作者:
   

1.介绍

混合动力电动汽车(HEV)和电动汽车(EV)正在成为近期可持续交通最有前景的解决方案[1,2]。常规内燃机(ICE)[3,4]的环境影响,例如温室气体和空气污染排放,除了与石油基燃料相关的经济问题[3],例如,由于需求增加和供应有限的价格波动,是混合动力电动动力系统发展的主要动机之一。

虽然EV完全依赖于来自电存储系统(电池)的电源;在HEV中,ICE和电池的功率的组合在​​混合动力传动系统中提供推进。与传统车辆相比,HEV中的ICE较小[5],其在具有接近最大效率的切断条件下使用,即用于高功率加速和用于对电池充电。另一方面,电池负责在低功率需求下的电力供应,其中ICE的效率将很差。此外,在制动车辆期间的能量,其在常规制动系统中作为热耗散,被存储到HEV电池中以便重新使用,即再生[6]。因此,HEV和EV的性能强烈地取决于电池的效率和可靠性。

最近的电池技术的飞跃[7,8]允许HEV的电气化程度的显着增加。在新一代电池中,基于聚合物的锂离子电池引起了极大的兴趣。锂是最轻的金属;它漂浮在水上,并具有最大的电化学势,使其成为最活泼的金属之一[8]。参考这些性质,锂基电池提供高能量和功率密度。此外,它们的高电压,低自身放电率和良好的稳定性使它们适合于汽车和待机功率应用。高级锂离子电池的能量存储密度为150 Wh·kg-1,功率密度为2,000W·kg-1,能量转换效率为95%以上[2]。

HEV中的电池组的能量管理和优化是所有混合动力系统中的关键任务,因为其直接影响混合动力系统的成本,重量,安全性,效率和可靠性[9]。一般来说,具有高功率密度的电池中的能量管理问题分为两类:电和热。虽然热管理和电气管理是不同的情况,但电池的热和电特性是高度耦合的[10]。这种耦合将整个电池能量管理转变为具有挑战性的任务,特别是在极端操作条件下。已知在涉及快速电化学反应的高放电速率下,电池易于过度升温,这可能引起电解质火灾,热失控,并且在最坏的情况下爆炸[11,12]。此外,在寒冷的温度,低于冰点,锂离子电池的能量和功率传递减少[11]。

在用于高级电池的能量管理的背景下,最小化电池组件中的能量损失可以起到显着的作用。这些能量损失可以分为内部和外部损耗。

由于电流流过电极[13],一部分内部损耗与欧姆加热相关,其余部分是由于在电极/电解质界面处的电荷转移,即电化学反应[10,14] ]。

在电池组件中的电极和电流收集棒之间的接触界面处的电接触热电偶(ECR)是显着的外部损失,对于作者的知识,在混合动力和电动车辆的能量管理中已被忽略。除了潜在的显着能量损失之外,在极端情况下ECR可能导致可以熔化电池电极和集电棒的温度,这是类似于点焊的现象。

在本文中,我们参与调查和阐明ECR在电动汽车和HEV中锂离子电池能量管理的重要性。已经建立了定制的测试台以测量样品锂离子电池的电极和集电器棒的界面处的ECR。在本研究中考虑的关节是螺栓连接。彻底研究了集电棒材料,表面特性(表面粗糙度和平面度),接触压力,接头类型和界面导电材料(IECM)在ECR上的应用的影响。我们的实验结果表明,对于在相对低的接触压力下的典型裸电极 - 集电极接头,ECR损失可以高达电池的总能量流入和流出的20%。然而,通过选择适当的表面处理,接头压力和应用IECM(电润滑脂),由于ECR的损失将降低到小于7%。

2理论背景

现代工程中热/电接触热电偶(T / ECR)的多学科研究是显着的[15,16]。接触被定义为装置的载流构件之间的界面。接触的主要目的是允许热/电流不间断地通过接触界面。在本文中,考虑到所考虑的问题,仅研究了可分离的固定触点,即螺栓和螺母类型的机械接头。

尽管热和电过程的性质不同,但它们表现出类似的界面现象,特别是接触热电偶[17,18]。然而,本研究的重点是电接触热电偶。为了突出接触热电偶的重要性,我们考虑在施加的力F下接触的两个导电体,参见图1。如图1(a)所示。 。图1(b)中,在接触界面的放大部分中示意性地示出了表面不规则性。由于表面粗糙度和它们的不平坦性,两个物体之间的接触只发生在由两个表面上的凹凸的机械接触形成的离散点处[19]。因此,界面处的实际接触面积Ar,散射接触点的总和仅形成通常小于2%的表观(或标称)接触面积Aa的小百分比。


图1
图1.静态电触点的示意图。
(a)具有不同电压的接触体的宏观表示。
(b)接触表面特性的微观表示,
粗糙度和不平坦度。

远离界面,主体1和主体2中的电压为V1和V2。电压差导致从高电压体到低电压体的电流。在接口处,电流线捆在一起以通过离散的微接触点,参见图1。如图2(a)所示。作为微接触点的结果的电流收敛减小了用于电传导的材料的体积,并且导致电接触热电偶(ECR)。它显示在参考文献中。 [20],接触点上的体电流的分离取决于接触点的尺寸(面积)以及相对距离。 。在图2(b)中示出了相应的热电偶网络。接触点处的接触热电偶Rc用作串联的与体热电偶Rbu对准的并联热电偶。主体1和2中的体热电偶由于它们的材料的热电偶率而产生。


图2
图2.(a)电气导电路径示意图
电流在粗糙表面的接触界面。收缩和
电流线的扩展上升到界面处的接触热电偶。 (b)
总热电偶是体热电偶和接触热电偶的组合。

在一般形式中,当存在n个接触点时,总热电偶读数


公式1

电接触热电偶分析包括三个主要部分:(i)表面拓扑,(ii)接触力学和(iii)电传输。组件(i)和(ii)耦合,因为接触力学分析强烈依赖于表面拓扑和施加的力[19]。此外,在界面处产生显着的热的情况下,材料性质改变,因此表面拓扑和接触机制改变。

可以通过几种方法降低电接触热电偶,包括:

增加实际接触面积通过以下方式实现:i)增加接触压力,或ii)减小接触表面的粗糙度和外部不平坦度,
结合(例如,铜焊)接触表面,
使用界面导电材料(IECM),也称为电润滑脂或电接触润滑剂,其可以符合配合表面的不完美表面特征。这些材料通常用于电力工业中以降低接头中的接触热电偶。它们还可以包括一些材料以防止电连接器中的腐蚀沉积物,从而更容易维护。
由于成本限制,制造高度精加工的表面是不实用的。铜焊创建了一个永久的接头,使维护困难。此外,由于车辆振动,钎焊接头容易松动,并且最终易于疲劳失效。接头的故障将显着增加ECR和火花的机会,这最终导致不起作用的电池系统。此外,负载约束使得使用高接触压力不可行。因此,在中等接触压力下使用界面导电材料(IECM)似乎是HEV和EV应用中的电池组件的合适选择。

3.电池组件

EV和HEV中的电池组通常被划分为电池模块,并且每个模块包含并联和/或串联连接的若干电池单元。聚合物锂离子电池(EIG C020,韩国)在图1中示出。图3(a)。为了进行电池连接,将黄铜(c2680组合物)支架连接到电池电极接头,参见图。 3(b)。集电极棒,如图1所示。如图3(c)所示,被设计成通过支架连接电池电极。使用水喷射切割机制造具有3.15mm厚度的铜制(来自铜110)集电棒(由Future Vehicle Technologies Inc.,Canada提供),而黄铜集电棒(购自EIG,South Korea)的厚度为1.5mm 。厚铜集电条设计用于大电流连接,因为它们允许更多的电流,并导致更少的欧姆热电偶和发热。


图3
图3.(a)EIG C020锂离子电池的裸电池
电极接头。 (b)连接到电池电极的黄铜支架。 (C)
由铜和黄铜制成的不同厚度的集电棒
用于使用螺栓和螺母连接电极支架。

螺栓和螺母用于将电极支架上的集电棒组装。为了方便起见,电极支架和集电棒将分别称为电极和集电器。 。在图4中,示出了电极和铜集电体之间的螺栓连接。在用于EV和HEV的电池组件中,存在几百个这样的接头。


图4
图4:电极支架和铜集电棒之间的螺栓和螺母连接。

该电池使用Li [NiCoMn] O 2基阴极和基于石墨的阳极。电池的额定电压和容量为3.65V和20Ah = 72000℃,比能量为175Wh·kg-1。电池重量约425g,则电池的功率为约73W。由制造商报告的关于在不同放电速率下作为电池容量的函数的电池电势的实验结果显示在图1中。 5。


图5
图5. 1C,3C和5C放电率下电池放电曲线的实验数据。

4.实验研究

进行实验研究以测量电池组件处的ECR。为此,设计并构建了一个测试台,并开发了一个测试程序。研究了接触参数对ECR的影响。测量电极和集电器的表面粗糙度。此外,使用压敏膜定性地检查表面不平坦度和螺栓 - 螺母接头对接触压力分布的影响。以下小节提供了进行的实验研究的更多细节。

4.1表面粗糙度测量

表面粗糙度是工程表面的纹理的度量。粗糙度在确定当接触时表面如何相互作用起关键作用,参见。图。 2。

使用触针轮廓仪(Mitutoyo SJ-400,Japan)测量电极和集电体的表面轮廓。 。在图6中示出了样品二维表面轮廓。该图表示铜集电器的真实表面轮廓;注意垂直和水平刻度的差异。测量长度为5mm,z(x)表示实际表面与其平均平面的垂直偏差,即z(x)= 0。


图6
图6.样品铜集电棒的表面轮廓测量。

用于表示表面的粗糙度的广泛使用的参数是测量的轮廓高度偏差的算术平均值,由[19]


公式2

在实际测量中,利用1> i> N获得xi和z(xi)的离散值,其中N是测量读数的总数。从表面测量计算电极和集电器的Ra的值,其允许定量比较电池组件中的接触表面的粗糙度。

我们使用八个收集器,四个铜和四个黄铜,以及一对电极来执行表面测量。收集器的表面通过手动抛光和研磨进行处理。一对电极和集电器的表面测量在具有不同方向的几个位置随机进行。在表1中列出了集电棒和电极支架的表面粗糙度的平均测量值(高斯分布)。在表面测量期间,注意到粗糙度不是完全各向同性的,并且在特定方向上具有略微不同的值。

表面测量显示,黄铜收集器比铜收集器更粗糙,并且电极通常比收集器更光滑。

图8
图8(a)电极之间接触处的压力分布
支架和收集棒使用压力敏感性定性显示
电影。颜色强度与压力的量直接相关。
(b)穿过中心线的压力分布的示意图
的螺栓接头的接触表面。最大压力pmax
发生在孔附近。

4.3电气接触热电偶(ECR)测量

图9显示了设计用于测量电池电极 - 集电极接头处的ECR的电路。我们使用调谐为提供恒定电流I = 1.5A的直流电源(GW Instek,GPS-4303,台湾)代替实际电池。用恒定电流供应商更换实际电池与实际电池操作条件一致,如实验获得的放电曲线所示,参见图1。 5.当前供应商连接到电极(支架),如图所示。电极之一通过已知的(分流)热电偶Rsh =2.5Ω连接到地。使用集电器棒来桥接电极托架。由于通过集电器的电流,在电极支架之间建立并测量电压降。该电压差的小部分与电极和集电极中的体热电偶有关,但是在它们的界面处的ECR是对该电压降的主要贡献。


图9
图9.设计用于测量的电路的示意图
电极支架之间的电接触热电偶
电池(电池)组件中的集电棒。

通过在测力传感器上施加力F或使用螺母和螺栓来维持电极和收集器之间的接触。接触面积随着力F增大或螺栓拧紧而改善。

对应于测量的电压降的总热电偶(其几乎等于接触热电偶)读取


公式3

其中,ΔVe是跨电极测量的电压降,I是所提供的电流。为了确保提供的电流正确,测量分流热电偶两端的电压ΔVsh,然后将电流评估为I =ΔVsh/ Rsh。

实际的测试装置如图1所示。在测量中,在使用负载传感器测量的施加力下,在电极上对准集电器[图。 9],或螺栓连接到电极。试验台侧面的厚支撑托架用于强化结构并防止在较高负载下弯曲。


图10
图10.用于电接触热电偶测量的测试台。
连接端子位于背面。

4.4功率损耗评估

测量的电接触热电偶Rc和从电池Ib汲取的电流与界面处的欧姆损耗相关联


方程4

这种电能损失表现为在电极 - 集电极界面处产生的热。基于式(4),较大的电池电流导致较高的发热率。因此,在大的放电/充电速率下,电极处的热分析是重要的。

5.结果与讨论

对于铜和黄铜收集器测量不同压力下的接触热电偶,并且评估相应的欧姆损耗。测量在两个条件下进行,i)裸露或“干燥”接触;和ii)“湿”接触,即在界面处施加界面导电材料(IECM)。 Koper-shield接合剂(Thomas&Betts,USA)用作IECM,其是纯的,抛光的胶体铜的均匀混合物,以改善电接头处的导电性。它还包括润滑接头并防止生锈和腐蚀的组件。

5.1不确定性分析

由公式(3),ΔVe和I是我们的实验中测量的电参数。此外,接触载荷F和表观接触表面Aa是被测量以限定接触压力的相关量。

根据所使用仪器的精度评估我们的ECR测量的总精度。电压和电流读数的精度分别为0.5%和2.5%(Extech 430万用表)。称重传感器的精度为2.5%(传感器技术LB0-500)。上述精度值是相对于仪器读数给出的,而不是读数的最大值。与接触面积的测量相关的误差非常小,因此它不包括在分析中。

由于ECR作为ΔVe,I和F的显式函数不可用,ECR测量的最大不确定性可以近似于[21]


方程5

其对于所呈现的研究估计为±3.6%。关于等式(4),功率损耗测量的不确定性


公式6

导致±6.2%。与测量参数相关的不确定性列于表2。


表2

5.2接触热电偶结果

图1中的顶部曲线。 (11)示出了总标称接触面积为364mm 2(在两个电极上)的铜集电器的ECR测量。底部图是用于黄铜收集器的总公称接触面积为354平方毫米。通过在称重传感器上的力施加接触压力(以均匀压力接触)。施加的压力从0变化到约0.3MPa。由于每个收集器在表面特性方面的唯一性,使用不同收集器的实验产生具有略微不同的量值的结果。所呈现的结果对应于所选择的收集器和电极。对于实验中使用的集电极和电极的表面粗糙度见表1。为了确保测量的一致性,进行了几个测试,并且将值平均。

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