鋰離子電池溫度特性的研究

任　杰，李建祥，于　航，黃德旭，曹際娜

(1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266000；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250014；3.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101)

鋰離子電池溫度特性的研究

任杰1，李建祥2，于航3，黃德旭3，曹際娜3

(1.國網山東省電力公司青島供電公司，山東青島266000；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250014；3.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250101)

動力蓄電池作為純電動汽車的動力來源，是提高整車性能和降低成本的關鍵一環，其溫度特性直接影響電動汽車的性能、壽命和耐久性。針對鋰離子電池在低溫環境下放電容量低及單體之間溫度不均勻的問題，合理設計了電池包結構，選擇合適的熱管理方式，保證電池包內各個單電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。

鋰離子電池；溫度；熱管理

電池作為電動汽車中的主要儲能元件，是電動汽車的關鍵部件，直接影響電動汽車的性能[1-2]。目前全球電動汽車產業還處于發展初期，存在鋰離子電池技術不夠成熟、續駛里程有限、能源補給時間較長等問題，一定程度上限制了電動汽車的大規模推廣應用。同時動力電池在使用過程中,需要連續放電和定時充電,在充放電過程中電池內部電化學反應會產生大量熱量,引起電池溫度的變化,而電池溫度的變化又將直接影響電池的充放電性能。因此，充分了解電動汽車動力電池充放電特性，認識鋰離子電池運行機理和影響因素是十分重要的。

本文主要根據溫度對鋰離子電池充放電性能的影響，分析了鋰離子電池處于低溫環境下充放電溫升情況以及鋰離子電池組各個模塊之間溫差對電池性能的影響，采取了適當的措施來解決溫度這一影響因素，改善鋰離子電池的運行性能，使其充分發揮優點，安全運行。

1　低溫對電池特性的影響

正常工作條件下，鋰離子電池在不斷產生并散發熱量，使得電池溫度有一定升高。電池內部產生的熱量主要是由兩大部分組成[3]：電流流過電池內部時電池內阻產生的熱量和電池工作過程中因發生化學反應而產生的熱量。電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻。電池內阻在整個電池充放電過程中產生的熱量始終都為正值。電池內部發生的化學反應既可能是吸熱反應，也可能是放熱反應。

環境溫度是電池熱特性的主要影響因素，10 Ah磷酸鐵鋰動力電池分別處于不同環境中用1C電流放電時，放電過程中電池溫升與環境關系見表1。從表中可知，環境溫度越低，放電結束后電池的溫升越大，這主要是因為環境溫度越低，電解液的導電性越差，電池內部化學反應速率降低，濃差極化和電化學極化的程度增大，極化內阻就越大。同時，隨著溫度的降低，電池總內阻增加，電池發熱量增大，電池溫升幅度增大。

表1　不同環境溫度下的電池溫升表

試驗采用萬向60 Ah單體磷酸鐵鋰軟包電池，具體見圖1，其充放電曲線見圖2(1C充放電電流)。從圖上可以看出，單體電池容量約為64 Ah，略大于標稱容量60 Ah，電池放電電壓平臺為3.2 V，而電池充電電壓平臺約3.4 V左右。

在不同溫度下，電池放電容量不同，不同溫度下的放電曲線如圖3所示。從圖上可以明顯地看出，電池容量隨溫度的降低而降低，電池在0℃下進行放電測試，容量下降大約為常溫容量的90%，而當溫度繼續降低，在－20℃下放電時，容量下降為常溫容量的64%。在55℃高溫下，電池容量基本與常溫容量保持一致。

圖1　動力電池單體

圖2　單體動力電池充放電曲線

圖3　不同溫度下單體電池放電曲線

鋰離子電池組作為電動汽車主要的儲能裝置，是電動汽車的關鍵部件，直接影響電動汽車的性能。由于車輛上空間有限，電動汽車運行過程中電池組產生的大量熱量受空間影響而積累，造成各處溫度不均勻，從而影響電池單體一致性，因此將降低充放電循環效率，影響電池功率和能量發揮，嚴重時還將導致電池熱失控，引發安全事故[4]。

2　采取的熱管理措施

針對鋰離子電池在低溫環境下放電容量低，以及電池組各單體之間存在溫差影響電池性能這些問題，為了使電池組發揮最佳的性能和壽命，需要優化電池包的結構，設計電池包熱管理系統。在電池打包設計及進行pack裝配過程中，兩片電池中間裝有導熱片，如圖4所示。導熱片的主要作用體現在兩個方面：一方面將電池內部產生的熱量傳導到電池表面，積極將熱量進行散發，并均衡電池間溫度；另一方面是在冬季低溫時將電池表面加熱器的熱量傳遞給電芯，同時保證電芯表面溫度均一。

圖4　導熱片

磷酸鐵鋰動力電池的放電容量隨著溫度的降低而降低，當電池在-10℃放電時，電池容量大約下降20%。同時為了保障電池安全，要求環境溫度必須在0℃以上才進行電池充電。為了保證電動汽車在冬季的正常運營，在充換電站的每套動力電池上都裝配一套加熱裝置來保證電池在0℃以上溫度工作。

電池箱內每個電池模塊都裝配一個加熱器(見圖5)，所采用的加熱器是一種PTC材料[5]，固定在電池模塊的側面與導熱鋁片貼合利用，可以通過導熱鋁片把熱量傳導給每個電芯，并且保證電芯熱量均一。

圖5　動力電池模塊加熱片裝配前(左)后(右)

所采用的加熱器具有當超過一定的溫度時,電阻值隨著溫度的升高呈階躍性增高的特點，具有恒溫發熱、無明火、熱轉換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等優勢。當電池溫度低于0℃時啟動加熱，保證電池溫度不低于0℃，并可以持續約1℃/h升溫。每箱電池開啟后的平均功率約150 W左右，即使夜晚室外溫度一直低于0℃，9箱電池在夜晚10 h內耗電量約為14度電，約占整個電池總容量的10%。

電池箱在－10℃低溫環境下測試曲線如圖6所示。從圖上明顯可以看到，動力電池組大約需要8個小時從24℃降到0℃，在0℃時，加熱系統啟動工作，因為加熱系統電源取自電池本身，所以總電壓開始下降，5℃時停止加熱。

3　熱管理措施效應分析

加入導熱片的電芯表面熱分布圖如圖7所示，通過導熱片的熱傳導，電芯表面溫度差異小于1.5℃。

裝配有加熱裝置的動力電池組在不同溫度進行充放電，放電電流0.3C，其放電容量曲線如圖8所示。由圖可知，室溫下，電池系統放電容量最高，接近電池標稱容量300 Ah，45℃時放電容量稍有降低，約為室溫容量的98.8%。當溫度降至0℃時，加熱系統開啟，其放電容量為室溫容量的97%，隨著溫度繼續降低，在－20℃時，電池系統放電容量仍為初始容量的90%以上。對比不加載加熱裝置的單體電池在不同溫度的容量圖(圖4)我們可知，加熱系統的開啟，可以大幅度提高低溫條件下電池容量，而加熱系統本身耗電量較小，0℃條件下整個放電周期內耗電量小于3%，－20℃條件下耗電量小于10%。

圖6　－10℃低溫測試曲線

圖7　加入導熱片的電芯表面熱分布圖

圖8　電源系統不同溫度放電容量

4　小結

鋰離子電池組作為電動汽車主要的儲能裝置，是電動汽車的關鍵部件，直接影響電動汽車的性能。經過上面的分析驗證，可以知道鋰離子電池的性能受環境溫度的影響較大,在低溫時放電容量減小，影響其在電動汽車上的應用，為此需要采取相應的熱管理措施，使其能量得到充分的利用。把動力電池研究與電動汽車運營實踐相結合，一方面促進電池研究更加深入，切近產業實際，著力于解決實際運營中出現的一些問題；另一方面能促進研究結果向產業進行轉化，極大地推動電動汽車、動力電池及充換電設施的技術革新。

[1]陳全世,齊占寧.燃料電池電動汽車的技術難關和發展前景[J].汽車工程，2001,23(6):362-263.

[2]林成濤，陳全世.燃料電池客車動力系統結構分析[J].公路交通科技，2003,20(5):134-135.

[3]SATO N.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].J Power Souces,2001,99(1/2):70-77.

[4]車杜蘭,周榮,喬維高.電動汽車電池包熱管理系統設計方法[J].汽車工程師,2009(10):28-30.

[5]陳建功.鋰離子電池PTC安全電極的研究[D].長沙：中南大學, 2013：11-13.

[6]張秉良,孫玉田,孫勇,等.電動汽車充放電站在電網調峰中的應用[J].山東電力技術,2012(4):6-9.

Study of lithium-ion battery temperature characteristics

REN Jie1,LI Jian-xiang2,YU Hang3,HUANG De-xu3,CAO Ji-na3
(1.State Grid Qingdao Power Supply Company,Qingdao Shandong 266000,China;2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan Shandong 250014,China;3.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250101,China)

As a power source of pure electric vehicles,power battery is the key to improve vehicle performance and reduce the cost,and the temperature characteristics affect the electric vehicle performance,longevity and durability directly.Because the lithium-ion battery discharges the low capacity at low temperature and has uneven temperatures between cells,the battery pack structure was designed rationally;the appropriate thermal management was selected to ensure each single cell in the battery pack work within a reasonable temperature range and try to maintain temperature uniformity within each battery packs and battery modules.

lithium-ion batteries;temperature;thermal management

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1929-02

2016-03-15

任杰(1985—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向為電力系統。