接觸熱電偶對鋰離子電池組的外部能量損失的影響外部能量損失的影響

1.介紹

混合動力電動汽車（HEV）和電動汽車（EV）正在成為近期可持續交通最有前景的解決方案[1,2]。常規內燃機（ICE）[3,4]的環境影響，例如溫室氣體和空氣污染排放，除了與石油基燃料相關的經濟問題[3]，例如，由于需求增加和供應有限的價格波動，是混合動力電動動力系統發展的主要動機之一。

雖然EV完全依賴于來自電存儲系統（電池）的電源;在HEV中，ICE和電池的功率的組合在​​混合動力傳動系統中提供推進。與傳統車輛相比，HEV中的ICE較小[5]，其在具有接近最大效率的切斷條件下使用，即用于高功率加速和用于對電池充電。另一方面，電池負責在低功率需求下的電力供應，其中ICE的效率將很差。此外，在制動車輛期間的能量，其在常規制動系統中作為熱耗散，被存儲到HEV電池中以便重新使用，即再生[6]。因此，HEV和EV的性能強烈地取決于電池的效率和可靠性。

最近的電池技術的飛躍[7,8]允許HEV的電氣化程度的顯著增加。在新一代電池中，基于聚合物的鋰離子電池引起了極大的興趣。鋰是最輕的金屬;它漂浮在水上，并具有最大的電化學勢，使其成為最活潑的金屬之一[8]。參考這些性質，鋰基電池提供高能量和功率密度。此外，它們的高電壓，低自身放電率和良好的穩定性使它們適合于汽車和待機功率應用。高級鋰離子電池的能量存儲密度為150 Wh·kg-1，功率密度為2,000W·kg-1，能量轉換效率為95％以上[2]。

HEV中的電池組的能量管理和優化是所有混合動力系統中的關鍵任務，因為其直接影響混合動力系統的成本，重量，安全性，效率和可靠性[9]。一般來說，具有高功率密度的電池中的能量管理問題分為兩類：電和熱。雖然熱管理和電氣管理是不同的情況，但電池的熱和電特性是高度耦合的[10]。這種耦合將整個電池能量管理轉變為具有挑戰性的任務，特別是在極端操作條件下。已知在涉及快速電化學反應的高放電速率下，電池易于過度升溫，這可能引起電解質火災，熱失控，并且在最壞的情況下爆炸[11,12]。此外，在寒冷的溫度，低于冰點，鋰離子電池的能量和功率傳遞減少[11]。

在用于高級電池的能量管理的背景下，最小化電池組件中的能量損失可以起到顯著的作用。這些能量損失可以分為內部和外部損耗。

由于電流流過電極[13]，一部分內部損耗與歐姆加熱相關，其余部分是由于在電極/電解質界面處的電荷轉移，即電化學反應[10,14] ]。

在電池組件中的電極和電流收集棒之間的接觸界面處的電接觸熱電偶（ECR）是顯著的外部損失，對于作者的知識，在混合動力和電動車輛的能量管理中已被忽略。除了潛在的顯著能量損失之外，在極端情況下ECR可能導致可以熔化電池電極和集電棒的溫度，這是類似于點焊的現象。

在本文中，我們參與調查和闡明ECR在電動汽車和HEV中鋰離子電池能量管理的重要性。已經建立了定制的測試臺以測量樣品鋰離子電池的電極和集電器棒的界面處的ECR。在本研究中考慮的關節是螺栓連接。徹底研究了集電棒材料，表面特性（表面粗糙度和平面度），接觸壓力，接頭類型和界面導電材料（IECM）在ECR上的應用的影響。我們的實驗結果表明，對于在相對低的接觸壓力下的典型裸電極 - 集電極接頭，ECR損失可以高達電池的總能量流入和流出的20％。然而，通過選擇適當的表面處理，接頭壓力和應用IECM（電潤滑脂），由于ECR的損失將降低到小于7％。

2理論背景

現代工程中熱/電接觸熱電偶（T / ECR）的多學科研究是顯著的[15,16]。接觸被定義為裝置的載流構件之間的界面。接觸的主要目的是允許熱/電流不間斷地通過接觸界面。在本文中，考慮到所考慮的問題，僅研究了可分離的固定觸點，即螺栓和螺母類型的機械接頭。

盡管熱和電過程的性質不同，但它們表現出類似的界面現象，特別是接觸熱電偶[17,18]。然而，本研究的重點是電接觸熱電偶。為了突出接觸熱電偶的重要性，我們考慮在施加的力F下接觸的兩個導電體，參見圖1。如圖1（a）所示。 。圖1（b）中，在接觸界面的放大部分中示意性地示出了表面不規則性。由于表面粗糙度和它們的不平坦性，兩個物體之間的接觸只發生在由兩個表面上的凹凸的機械接觸形成的離散點處[19]。因此，界面處的實際接觸面積Ar，散射接觸點的總和僅形成通常小于2％的表觀（或標稱）接觸面積Aa的小百分比。

圖1
圖1.靜態電觸點的示意圖。
（a）具有不同電壓的接觸體的宏觀表示。
（b）接觸表面特性的微觀表示，
粗糙度和不平坦度。

遠離界面，主體1和主體2中的電壓為V1和V2。電壓差導致從高電壓體到低電壓體的電流。在接口處，電流線捆在一起以通過離散的微接觸點，參見圖1。如圖2（a）所示。作為微接觸點的結果的電流收斂減小了用于電傳導的材料的體積，并且導致電接觸熱電偶（ECR）。它顯示在參考文獻中。 [20]，接觸點上的體電流的分離取決于接觸點的尺寸（面積）以及相對距離。 。在圖2（b）中示出了相應的熱電偶網絡。接觸點處的接觸熱電偶Rc用作串聯的與體熱電偶Rbu對準的并聯熱電偶。主體1和2中的體熱電偶由于它們的材料的熱電偶率而產生。

圖2
圖2.（a）電氣導電路徑示意圖
電流在粗糙表面的接觸界面。收縮和
電流線的擴展上升到界面處的接觸熱電偶。 （b）
總熱電偶是體熱電偶和接觸熱電偶的組合。

在一般形式中，當存在n個接觸點時，總熱電偶讀數

公式1

電接觸熱電偶分析包括三個主要部分：（i）表面拓撲，（ii）接觸力學和（iii）電傳輸。組件（i）和（ii）耦合，因為接觸力學分析強烈依賴于表面拓撲和施加的力[19]。此外，在界面處產生顯著的熱的情況下，材料性質改變，因此表面拓撲和接觸機制改變。

可以通過幾種方法降低電接觸熱電偶，包括：

增加實際接觸面積通過以下方式實現：i）增加接觸壓力，或ii）減小接觸表面的粗糙度和外部不平坦度，
結合（例如，銅焊）接觸表面，
使用界面導電材料（IECM），也稱為電潤滑脂或電接觸潤滑劑，其可以符合配合表面的不完美表面特征。這些材料通常用于電力工業中以降低接頭中的接觸熱電偶。它們還可以包括一些材料以防止電連接器中的腐蝕沉積物，從而更容易維護。
由于成本限制，制造高度精加工的表面是不實用的。銅焊創建了一個永久的接頭，使維護困難。此外，由于車輛振動，釬焊接頭容易松動，并且最終易于疲勞失效。接頭的故障將顯著增加ECR和火花的機會，這最終導致不起作用的電池系統。此外，負載約束使得使用高接觸壓力不可行。因此，在中等接觸壓力下使用界面導電材料（IECM）似乎是HEV和EV應用中的電池組件的合適選擇。

3.電池組件

EV和HEV中的電池組通常被劃分為電池模塊，并且每個模塊包含并聯和/或串聯連接的若干電池單元。聚合物鋰離子電池（EIG C020，韓國）在圖1中示出。圖3（a）。為了進行電池連接，將黃銅（c2680組合物）支架連接到電池電極接頭，參見圖。 3（b）。集電極棒，如圖1所示。如圖3（c）所示，被設計成通過支架連接電池電極。使用水噴射切割機制造具有3.15mm厚度的銅制（來自銅110）集電棒（由Future Vehicle Technologies Inc.，Canada提供），而黃銅集電棒（購自EIG，South Korea）的厚度為1.5mm 。厚銅集電條設計用于大電流連接，因為它們允許更多的電流，并導致更少的歐姆熱電偶和發熱。

圖3
圖3.（a）EIG C020鋰離子電池的裸電池
電極接頭。 （b）連接到電池電極的黃銅支架。 （C）
由銅和黃銅制成的不同厚度的集電棒
用于使用螺栓和螺母連接電極支架。

螺栓和螺母用于將電極支架上的集電棒組裝。為了方便起見，電極支架和集電棒將分別稱為電極和集電器。 。在圖4中，示出了電極和銅集電體之間的螺栓連接。在用于EV和HEV的電池組件中，存在幾百個這樣的接頭。

圖4
圖4：電極支架和銅集電棒之間的螺栓和螺母連接。

該電池使用Li [NiCoMn] O 2基陰極和基于石墨的陽極。電池的額定電壓和容量為3.65V和20Ah = 72000℃，比能量為175Wh·kg-1。電池重量約425g，則電池的功率為約73W。由制造商報告的關于在不同放電速率下作為電池容量的函數的電池電勢的實驗結果顯示在圖1中。 5。

圖5
圖5. 1C，3C和5C放電率下電池放電曲線的實驗數據。

4.實驗研究

進行實驗研究以測量電池組件處的ECR。為此，設計并構建了一個測試臺，并開發了一個測試程序。研究了接觸參數對ECR的影響。測量電極和集電器的表面粗糙度。此外，使用壓敏膜定性地檢查表面不平坦度和螺栓 - 螺母接頭對接觸壓力分布的影響。以下小節提供了進行的實驗研究的更多細節。

4.1表面粗糙度測量

表面粗糙度是工程表面的紋理的度量。粗糙度在確定當接觸時表面如何相互作用起關鍵作用，參見。圖。 2。

使用觸針輪廓儀（Mitutoyo SJ-400，Japan）測量電極和集電體的表面輪廓。 。在圖6中示出了樣品二維表面輪廓。該圖表示銅集電器的真實表面輪廓;注意垂直和水平刻度的差異。測量長度為5mm，z（x）表示實際表面與其平均平面的垂直偏差，即z（x）= 0。

圖6
圖6.樣品銅集電棒的表面輪廓測量。

用于表示表面的粗糙度的廣泛使用的參數是測量的輪廓高度偏差的算術平均值，由[19]

公式2

在實際測量中，利用1> i> N獲得xi和z（xi）的離散值，其中N是測量讀數的總數。從表面測量計算電極和集電器的Ra的值，其允許定量比較電池組件中的接觸表面的粗糙度。

我們使用八個收集器，四個銅和四個黃銅，以及一對電極來執行表面測量。收集器的表面通過手動拋光和研磨進行處理。一對電極和集電器的表面測量在具有不同方向的幾個位置隨機進行。在表1中列出了集電棒和電極支架的表面粗糙度的平均測量值（高斯分布）。在表面測量期間，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。

表面測量顯示，黃銅收集器比銅收集器更粗糙，并且電極通常比收集器更光滑。

圖8
圖8（a）電極之間接觸處的壓力分布
支架和收集棒使用壓力敏感性定性顯示
電影。顏色強度與壓力的量直接相關。
（b）穿過中心線的壓力分布的示意圖
的螺栓接頭的接觸表面。最大壓力pmax
發生在孔附近。

4.3電氣接觸熱電偶（ECR）測量

圖9顯示了設計用于測量電池電極 - 集電極接頭處的ECR的電路。我們使用調諧為提供恒定電流I = 1.5A的直流電源（GW Instek，GPS-4303，臺灣）代替實際電池。用恒定電流供應商更換實際電池與實際電池操作條件一致，如實驗獲得的放電曲線所示，參見圖1。 5.當前供應商連接到電極（支架），如圖所示。電極之一通過已知的（分流）熱電偶Rsh =2.5Ω連接到地。使用集電器棒來橋接電極托架。由于通過集電器的電流，在電極支架之間建立并測量電壓降。該電壓差的小部分與電極和集電極中的體熱電偶有關，但是在它們的界面處的ECR是對該電壓降的主要貢獻。

圖9
圖9.設計用于測量的電路的示意圖
電極支架之間的電接觸熱電偶
電池（電池）組件中的集電棒。

通過在測力傳感器上施加力F或使用螺母和螺栓來維持電極和收集器之間的接觸。接觸面積隨著力F增大或螺栓擰緊而改善。

對應于測量的電壓降的總熱電偶（其幾乎等于接觸熱電偶）讀取

公式3

其中，ΔVe是跨電極測量的電壓降，I是所提供的電流。為了確保提供的電流正確，測量分流熱電偶兩端的電壓ΔVsh，然后將電流評估為I =ΔVsh/ Rsh。

實際的測試裝置如圖1所示。在測量中，在使用負載傳感器測量的施加力下，在電極上對準集電器[圖。 9]，或螺栓連接到電極。試驗臺側面的厚支撐托架用于強化結構并防止在較高負載下彎曲。

圖10
圖10.用于電接觸熱電偶測量的測試臺。
連接端子位于背面。

4.4功率損耗評估

測量的電接觸熱電偶Rc和從電池Ib汲取的電流與界面處的歐姆損耗相關聯

方程4

這種電能損失表現為在電極 - 集電極界面處產生的熱。基于式（4），較大的電池電流導致較高的發熱率。因此，在大的放電/充電速率下，電極處的熱分析是重要的。

5.結果與討論

對于銅和黃銅收集器測量不同壓力下的接觸熱電偶，并且評估相應的歐姆損耗。測量在兩個條件下進行，i）裸露或“干燥”接觸;和ii）“濕”接觸，即在界面處施加界面導電材料（IECM）。 Koper-shield接合劑（Thomas＆Betts，USA）用作IECM，其是純的，拋光的膠體銅的均勻混合物，以改善電接頭處的導電性。它還包括潤滑接頭并防止生銹和腐蝕的組件。

5.1不確定性分析

由公式（3），ΔVe和I是我們的實驗中測量的電參數。此外，接觸載荷F和表觀接觸表面Aa是被測量以限定接觸壓力的相關量。

根據所使用儀器的精度評估我們的ECR測量的總精度。電壓和電流讀數的精度分別為0.5％和2.5％（Extech 430萬用表）。稱重傳感器的精度為2.5％（傳感器技術LB0-500）。上述精度值是相對于儀器讀數給出的，而不是讀數的最大值。與接觸面積的測量相關的誤差非常小，因此它不包括在分析中。

由于ECR作為ΔVe，I和F的顯式函數不可用，ECR測量的最大不確定性可以近似于[21]

方程5

其對于所呈現的研究估計為±3.6％。關于等式（4），功率損耗測量的不確定性

公式6

導致±6.2％。與測量參數相關的不確定性列于表2。

表2

5.2接觸熱電偶結果

圖1中的頂部曲線。 （11）示出了總標稱接觸面積為364mm 2（在兩個電極上）的銅集電器的ECR測量。底部圖是用于黃銅收集器的總公稱接觸面積為354平方毫米。通過在稱重傳感器上的力施加接觸壓力（以均勻壓力接觸）。施加的壓力從0變化到約0.3MPa。由于每個收集器在表面特性方面的唯一性，使用不同收集器的實驗產生具有略微不同的量值的結果。所呈現的結果對應于所選擇的收集器和電極。對于實驗中使用的集電極和電極的表面粗糙度見表1。為了確保測量的一致性，進行了幾個測試，并且將值平均。