浅析温度对动力电池的影响及温度传感器选择要点

本文在简介了国标对动力电池的要求的基础上，重点论述了温度对锂动力电池的荷电保持能力、寿命的影响及锂动力电池低高温特性，探讨了锂动力电池温度传感器的选择要点及在锂电锂电池模组内的布置方式。

关键词：温度、影响、传感器选择

1.国标对动力电池的要求及温度对锂动力电池的影响：

（1）国标要求：

国标GB/T31486-2015“电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验要求”，是关于单体电池和模块的最新国标要求，其中关于电池模块在高温和低温下的性能要求为：在-20±2℃下的1C放电容量不低于初始容量的70%；在55±2℃下的1C放电容量不低于初始容量的90%。在55±2℃下100%SOC存储7天后，其荷电保持率不低于初始容量的85%，容量恢复应不低于初始容量的90%。

（2）温度对锂动力电池荷电保持能力的影响：

锂动力电池的自放电是指锂动力电池在开路搁置时自动放电现，锂动力电池发生自放电将直接减少锂动力电池可输出的电量，使锂动力电池容量降低。自放电的产生主要是由于电极在电解液中处于热力学的不稳定状态，锂动力电池的两个电极各自发生氧化还原反应的结果。

在两个电极中，负极的自放电是主要的，自放电的发生使活性物质被消耗，转变成不能利用的热能。自放电的大小，可以用自放电率来表示，即规定时间内锂动力电池容量降低的百分数来表示：

式中：Y%为自放电率；C1为阀控密封式铅酸锂动力电池搁置前的容量；C2为锂动力电池搁置后的容量；T为锂动力电池的搁置时间，一般用天、周、月或年来表示。

锂动力电池自放电速率的大小是由动力学的因素决定的，主要取决于电极的材料的本性、表面状态、电解液的组成和浓度、杂质含量等，也取决与搁置的环境条件，如温度和湿度等因素。

锂动力电池在高温条件下储存，容量损失最大；低温条件下储存，容量损失最小。锂动力电池的荷电保持能力强，允许工作温度范围宽。自放电主要受制造工艺，材料，储存条件的影响自放电是衡量锂动力电池性能的主要参数之一。锂动力电池储存温度越低，自放电率也越低，但也应注意温度过低或过高均有可能造成锂动力电池损坏而导致无法使用。

（3）温度对锂动力电池寿命的影响：

温度的升高对锂动力电池的日历寿命和循环寿命都有影响，温度对锂动力电池寿命的影响符合阿伦尼乌斯方程，锂动力电池温度升高，反应速度加快，相关研究表明锂动力电池温度每升高10℃其退化速度就增加1倍。同一款电芯，当剩余容量为90%，25℃温度下输出容量为300kWh，而35℃温度下的输出容量仅为163kWh。

温度上升10℃，电芯的循环寿命下降了近50%。由此可见，温度对锂动力电池的循环寿命有很大的影响。所以在锂动力电池的使用过程中，应该尽量避免电池长期在高温条件下使用，尤其需要避免锂动力电池在高温条件下的高倍率充放电循环，这也是车用动力电池必须进行温度控制的一个主要原因。

2.锂动力电池低高温特性：

（1）锂动力电池低温特性：

锂动力电池在不同低温下的放电容量曲线如图1所示，与室温20℃相比，低温-20℃下容量衰减已经比较明显，到-30℃是容量损失更多，-40℃下容量连一半都不到了。

从电化学角度分析，溶液电阻、SEI膜电阻在整个温度范围内变化不大，对锂动力电池低温性能的影响较小；电荷传递电阻随温度的降低而显著增加，且在整个温度范围内随温度的变化都明显大于溶液电阻和SEI膜电阻。

这是因为随着温度的降低，电解液的离子电导率随之降低，SEI膜电阻和电化学反应电阻随之增大，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大，在锂动力电池的放电曲线上就表现为平均电压和放电容量均随着温度降低而降低。

锂动力电池在低温充电过程中的欧姆极化、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膜电阻增加，在放电曲线上表现为放电平台和放电容量降低。

锂动力电池在低温条件下，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已经先还原成金属锂，并在负极表面沉淀析出形成锂枝晶，这容易刺穿隔膜造成电池内短路，进而损坏电池，造成安全事故。

（2）锂动力电池高温特性：

锂动力电池在120℃高温下，锂动力电池的部分正极粘结剂PVdF将从Part1区域迁移到正极表面，造成Part1区域的粘结剂含量下降，即活性材料中粘结剂的缺失，导致电化学反应的能力下降。在Part2区域，因是正极的主体，粘结剂含量正常，高温影响不大，活性材料可以正常进行反应。

锂动力电池在85℃下循环，锂动力电池的负极表面出现固体电解质，负极表面被新生成的固体电解质覆盖。当温度上升在120℃时，生成了更多的固体电解质，负极表面被更多的固体电解质覆盖，消耗了更多的活性锂离子，造成锂动力电池容量的下降。

3.锂动力电池温度传感器选择及布置：

（1）NTC热敏电阻选用要点：

在采用NTC热敏电阻采集锂动力电池模组内的温度时，在选择NTC热敏电阻时应考虑的因素有：

1）NTC热敏电阻外壳应光洁、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。在每只NTC热敏电阻的外壳表面应有永久性型号、序号。

2）温度范围。根据应用的工作温度范围选择材质不同的NTC热敏电阻，NTC热敏电阻一般由感温头(金属外壳或塑胶外壳)、线材、端子、连接器、环氧树脂或其他填充材料等组成，在选择时要根据不同的工作环境温度来选择不同材质的NTC热敏电阻。

3）精度（整个测量误差±2℃以内）。NTC热敏电阻在整个温度检测范围内线性度好，NTC热敏电阻的特性符合整个参数范围。并要考虑NTC热敏电阻阻值精度对温度检测精度的影响；NTC热敏电阻B常数精度对温度检测精度的影响；NTC热敏电阻热扩散常数C对温度检测精度的影响。

精度NTC热敏电阻一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。NTC热敏电阻的精度越高，其价格越昂贵，因此，NTC热敏电阻的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以。决定NTC热敏电阻精度的因素有：

①NTC热敏电阻本身的误差。NTC热敏电阻的阻值误差、B值误差越小，测量精度越高。

②NTC热敏电阻的感温头与测温对象的接触方式。直接接触的比间接接触的测量精度要高，另因NTC热敏电阻的R-T曲线是非线性的，它不可能保证在很宽的工作温度范围内的精度都是一样的。因此，要想得到较高的测量精度，选定工作场合的中心工作温度点(一般中心工作温度点精度最高，根据R-T曲线的离散性，离中心工作温点越远的温度点，精度误差会逐渐加大)。

4）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尽量短,不能超过10秒，否则在实用性上达不到效率的要求。不同的应用场合要求NTC热敏电阻的响应速度快慢不一，而不同的材料有不同的导热系数。影响NTC热敏电阻响应速度的因素有：

①NTC热敏电阻芯片的热时间常数。热时间常数小的，响应速度快。

②NTC热敏电阻感温头外壳材质的导热系数，导热系数高的材料热传导性能优良。

③NTC热敏电阻感温头尺寸的大小，感温头尺寸小的，热传导时间会相应短，反应速度会快一点。

④NTC热敏电阻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的会比没填充\填充了导热系数低的导热硅脂反应速度快。

5）自加热在一定范围内，电阻的选值需要考虑本身的发热，以免本身引起发热。否则NTC热敏电阻自身的发热将影响温度测量，并应具有高的可靠性（冷热冲击性能优越），热时间常数要小（响应速度快）。

6）稳定性，NTC热敏电阻使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响NTC热敏电阻长期稳定性的因素除NTC热敏电阻芯片的稳定性，可靠性，传感器本身和结构，还有NTC热敏电阻的使用环境。要使NTC热敏电阻具有良好的稳定性，NTC热敏电阻必须要有较强的环境适应能力。NTC热敏电阻稳定性选择要素有：

①选用高可靠的NTC热敏电阻。

②选用结构合理NTC热敏电阻，并要有较强的机械强度。

③针对不同的使用环境，选用不同的填充材质的合理的。

7）寿命：不低于6年，其中含储存期限2年。

8）NTC温度传感器在-55℃～70℃环境中冲击三次，应无机械损伤和任何松脱现象。

9）绝缘电阻：大于10MΩ/500V。

（2）NTC热敏电阻布置：

NTC热敏电阻

动力电池模组由多个电芯组成，正常工作的时候，动力电池模组电芯的温度是均匀的，而在动力电池模组出现异常情况下，不同的动力电池模组电芯的温度会出现较大的温差。

通常选用3～4个采集点来监控整个动力电池模组的温度，采集的温度数据输入动力电池模组管理单元后，由动力电池模组管理单元推算出整个动力电池模组管理单元的温度情况。

在设计动力电池模组温度采集点时，采用的温度采集的方法有：

1）直接采集电芯温度，通常是把NTC热敏电阻布置在动力电池模组电芯表面。在动力电池模组电芯的特性比较均匀时，NTC热敏电阻在动力电池模组电芯表面上布置时，可以采取粘贴方法。

2）间接通集电芯温度，比较典型的办法是在动力电池模组的两个端板处，在动力电池模组的端板上嵌入NTC热敏电阻，这样能够准确的感知头尾两片动力电池电芯的温度，根据采集头尾两片动力电池电芯的温度推算出整个动力电池模组电芯的温度。

3）采集动力电池电芯互联板上端的温度，即把NTC热敏电阻嵌入到动力电池电芯的内部互联板里面，开准确的感知动力电池电芯的最高温度。

4）采集动力电池模组母线温度，在动力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。

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

因NTC热敏电阻内部的基材陶瓷属于易碎材料，在连接或粘贴的过程处理中不能施加过大压力或冲击，否则会导致引线与元件之间的接合部断开，或导致元件破裂。在连接或粘贴时还需考虑NTC热敏电阻在整个温度范围内不同材料的膨胀系数，否则产生内部应力损坏NTC热敏电阻本身。