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锂电池温度传感器选择要点|应用

特普生科技 特普生科技 2022-09-08 12 116

1、国标要求

有关单体电池和模块的最新国标要求:GB/T31486-2015 电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验要求,其中关于电池模块在高温和低温下的性能要求为:

在-202℃下,1C放电容量不低于初始容量70%;

在552℃下,1C放电容量不低于初始容量90%。

100%SOC存储7天后,荷电保持率不低于初始容量85%,容量恢复应不低于初始容量的90%。

2、温度对锂动力锂电池荷电保持能力的影响

锂动力锂电池的自放电

在开路搁置时自放电,发生自放电会降低可输出电量,使锂动力锂电池容量降低。

自放电的出现重要原因:因为电极在电解液中处于热力学的不稳定状态,锂动力锂电池的两极均产生氧化还原反应的结果。两个电极中,负极的自放电是重要的,自放电的发生使得活性物质被消耗掉,从而转变成不能利用的热能。

自放电的大小:以自放电率来表示,即按时间内锂动力锂电池容量降低的百分数来表示:

锂电池温度传感器选择要点

Y%,表示自放电率;

C1,表示阀控密封式铅酸锂动力锂电池搁置前的容量;

C2,表示搁置后的容量;

T,搁置时间(以天、周、月、年表示)

自放电速率的大小:自放电速率的大小由动力学的因素决定。重要在于电极材料的本性、电解液的组成和浓度、表面状态以及杂质含量等,也在于与其搁置的环境(如温度、湿度)等。

荷电保持能力:高温条件下储存,容量损失最大;反之低温条件下储存,损失最小。

锂动力锂电池的荷电保持能力强,工作温度范围宽。自放电受制造工艺,材料,储存环境的影响,是衡量锂动力锂电池性能的重要参数之一。锂动力锂电池储存温度越低,自放电率也越低。

*应注意:温度过低、过高都可能造成锂动力锂电池损坏甚至导致无法使用。

3、温度对锂动力锂电池寿命的影响

温度对锂动力锂电池寿命的影响符合阿伦尼乌斯方程:温度升高,反应速度加快,温度每升高10℃退化速度就新增1倍。

以同一款电芯为例:当剩余容量为90%,温度为25℃时输出容量为300kWh;但是在35℃下的输出容量仅为163kWh。温度上升10℃,电芯的循环寿命就下降了近50%。可见,温度对锂动力锂电池的循环寿命有很大影响。所以在使用过程中,应防止电池长期在高温下使用,尤其要防止在高温条件下的高倍率的充放电循环。

BMS电池管理系统用温度传感器
   △特普生BMS电池管理系统用温度传感器

锂动力锂电池低高温特性

1、锂动力锂电池低温特性

如图1所示,与20℃相比,-20℃下容量衰减非常明显;-30℃时容量损失更多,-40℃下容量连少了近乎一半。

锂电池温度传感器选择要点

从电化学角度分析:

在整个温度范围内,溶液电阻与SEI膜电阻的变化不大,对锂动力锂电池低温性能的影响较小;电荷传递电阻随温度下降而明显上涨,且在整个温度范围内,随温度变化都明显大于溶液电阻和SEI膜电阻。

随着温度下降,电解液的离子电导率也随之下降,SEI膜电阻和电化学反应电阻随之增大,从而导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大。

*放电曲线表现:

平均电压和放电容量均随温度下降而下降。

在低温充电过程中,锂动力锂电池的欧姆极化、浓差极化和电化学极化将加大,导致金属锂沉积,使电解液分解,最终导致电极表面SEI膜增厚、SEI膜电阻新增。

*放电曲线表现:

放电平台和放电容量下降。

锂电池温度传感器选择要点

△锂动力锂电池在不同低温下的放电容量曲线

在低温条件下,锂动力锂电池的化学反应活性降低。同时,锂离子迁移变慢,在负极表面的锂离子还没有嵌入到负极中就已经先还原成金属锂,并且在负极表面沉淀析出形成锂枝晶,这种情况容易刺穿隔膜,从而造成电池内的短路,从而损坏电池,酿成安全事故。

2、锂动力锂电池高温特性

在85℃下循环,锂动力锂电池的负极表面会出现固体电解质并且被其覆盖。当120℃时,则会生成更多的固体电解质,负极表面也自然会被更多的固体电解质覆盖,从而消耗更多的活性锂离子,从而导致锂动力锂电池容量的下降。

锂电池温度传感器选择及布置

1、NTC热敏电阻选用要点

采用NTC热敏电阻采集锂动力锂电池模组内的温度时,应考虑以下9点因素:

1.1 NTC热敏外壳

NTC热敏电阻的外壳应光洁、色泽均匀、无裂缝、无变形、无严重划伤,每批产品(含引出线)的颜色应一致,无任何腐蚀。

1.2 温度范围

根据应用的工作环境温度选择材质不同的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻一般由感温头(金属或塑胶外壳)、端子、线材、连接器、环氧树脂以及其他填充材料组成。

1.3 精度(误差2℃内)

在整个温度检测范围内,NTC热敏电阻线性度好、特性符合整个参数范围,同时也要考虑3点对温度检测精度的影响:

· 阻值精度 · B常数精度 · 热扩散常数C。

精度为重要的性能指标,关系到整个测量系统的测量精度,是非常重要的环节,也因此精度越高价格也越贵。

决定NTC热敏电阻精度的因素:

1、本身的误差;

2、阻值、B值误差越小,精度越高;

3、感温头与测温对象的接触方式。

直接接触比间接接触的测量精度高,另因NTC热敏电阻的R-T曲线是非线性的,不可能保证在较宽泛的工作温度范围内精度都相同。

因此,要有高测量精度,就要选择工作场合的中心工作温度点。因为离中心工作温点越远,温度点的精度误差就越大。

1.4 NTC热敏电阻响应速度

在测量过程中NTC热敏电阻的响应速度快,达到最接近温度时间要不超过10秒,否则在实用性上达不到效率的要求。不同的应用环境要求的响应速度快慢不一,而且不同材料也具有不同的导热系数。

NTC热敏电阻响应速度影响因素:                      

1、芯片的热时间常数:常数越小响应速度快;

2、感温头外壳材质的导热系数:系数越高热传导性能更优秀;

3、感温头的尺寸大小:尺寸越小热传导时间越短,反应速度越快;

4、感温头内部填充的导热胶:感温头内填充了导热系数高的导热硅脂,会比没填充或填充了导热系数低的导热硅脂反应速度快。

1.5 自加热

在一定范围内,电阻的选值要考虑到其自加热,否则其自发热会影响到温度的测量。同时,NTC热敏电阻应具有很好的可靠性,即面对冷热冲击性能依然优越,热时间常数小,响应速度快。

1.6 稳定性

稳定性即NTC热敏电阻使用一段时间后,其性能保持长期不变的能力。影响长期稳定性的因素除芯片的稳定性、可靠性,以及传感器本身和结构外,还有使用的环境。NTC热敏电阻具有优秀的稳定性,就必须具备优秀的环境适应能力。

NTC热敏电阻稳定性选择要素:

1、选用可靠的NTC热敏电阻。

2、选用结构合理NTC热敏电阻,并有较强的机械强度。

3、针对不同的使用场景,选用不同的填充材质。

1.7 寿命

不少于6年(含储存期限2年)。

1.8 环境冲击状态

在-55℃~70℃环境下进行3次冲击,NTC温度传感器应当无机械损伤和任何松脱情况。

1.9 绝缘电阻

大于10M/500V。

2、NTC热敏电阻布置

动力锂电池模组由多个电芯组成,正常运作时电芯的温度是均匀的,而在出现异常情况下,不同的动力锂电池模组电芯的温度会出现较大温差。监控整个动力锂电池模组的温度,通常以3~4个采集点实现。采集的温度数据输入管理单元后,由管理单元推算出整个动力锂电池模组管理单元的温度情况,在设计动力锂电池模组温度采集点时,采用的温度采集的方法有:

2.1 直接采集电芯温度

把NTC热敏电阻布置在模组电芯的表面。在动力锂电池模组电芯的特性比较均匀时,NTC热敏电阻在模组电芯表面上布置时采取粘贴方法。

2.2 间接通集电芯温度

在模组的两个端板处,在端板上嵌入NTC热敏电阻,这样能准确的感知到头尾两片动力锂电池电芯的温度。根据采集的温度推算出整个动力锂电池模组电芯的温度,这也是比较典型的办法。

2.3 采集动力锂电池电芯互联板上端的温度

将NTC热敏电阻嵌入到电芯的内部互联板内,准确的感知动力锂电池电芯的最高温度。

2.4 采集动力锂电池模组母线温度

在动力锂电池模组母线上设有凹槽,温度传感器固定于所述凹槽中,凹槽内设有用于固定温度传感器的固定胶。

2.5 采集动力锂电池模组盖板表面的温度

将NTC热敏电阻直接粘贴在动力锂电池模组盖板上。在NTC热敏电阻与动力锂电池母线排、电芯互联板连接或与动力锂电池模组电芯表面、盖板表面上粘合时,要考虑操作工艺对NTC热敏电阻的影响。在固定过程中若操作不当,可能会造成断线、短路或引线涂层断裂。

特普生主营温度传感器NTC热敏电阻传感器模块及一体化解决方案,特普生拥有发明专利5项,实用新型27项,保留不公开技术2项,是国内唯一拥有全尺寸全自动单端玻封机、单端热敏电阻测试机的具有芯片设计能力的源头实业,特普生温度传感器,特别好的温度传感器。

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