電動自行車用鋰離子電池組溫度試驗研究①

顧正建，嚴 媛，黃 惠

( 1.無錫市產品質量監(jiān)督檢驗院，江蘇 無錫 214028; 2.國家輕型電動車及電池產品質量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 無錫 214028)

1 前言

鋰離子電池因其具有能量密度高、功率密度高、充放電壽命長、自放電率低、無記憶效應等一系列優(yōu)點，使其在電動自行車上有極大的應用價值[1]。電動自行車在騎行過程中，鋰離子電池組被不斷放電，并伴隨熱量產生，會導致電池內部溫度升高和單體電池之間溫度不均勻，造成電池性能不穩(wěn)定，嚴重時甚至影響到電池的使用安全和壽命[2-4]。而動力電池的溫度對其電化學體系、輸出功率、使用壽命、安全性等都有很大影響。同時由于電池及其保護裝置的外部散熱條件、熱保護方式和單體電池的空間位置不同，電池組內不同單體電池間、保護裝置核心元件、過熱保護元件布局位置等會產生溫度差異。本文分析研究電動自行車用鋰離子電池組特征單體電池和核心保護元件在電池組使用過程中的溫度變化，為電池組組成部件的合理布局、增強電池組的使用安全性及延長電池組的使用壽命提供技術支持和技術儲備。

2 試驗與結果

2.1 試樣相關參數(shù)

試驗中所用的鋰離子電池組采用正極為鎳鈷錳酸鋰的18650型單體電池；采用具有過壓保護、過流保護、欠壓保護、短路保護、過熱保護等功能的保護裝置。表1為試驗用鋰離子電池組的主要技術參數(shù)。

表1 鋰離子電池組主要技術參數(shù)

2.2 試驗設備

使用美國Arbin公司生產的EVTS高精度充放電測試系統(tǒng)(電流電壓精度為0.1%FSR)，日本ESPEC株式會社生產的LU-120高低溫環(huán)境試驗箱(-25℃ ～85℃，溫度波動度為±0.5℃)，日本YAKOGAWA公司生產MV2000溫度巡檢儀(J型)。

2.3 試驗過程

2.3.1測溫點連接

將試驗所需設備與鋰離子電池組連接，如圖1所示。溫度巡檢儀熱電偶分布于鋰離子電池組特征單體電池及保護裝置充放電保護MOSFET表面，如圖2所示。具體測溫點如圖2a～2e，圖2a～2d是特征單體電池的測溫點位置示意圖，共9個測溫點，分別命名為測溫點1、測溫點2、測溫點3……測溫點9。圖2e是保護裝置充放電保護MOSFET表面測溫點位置示意圖，共8個測溫點，分別命名為測溫點10、測溫點11、測溫點12……測溫點17。圖2f是實際樣品示意圖。

圖1 溫度試驗示意圖Figure 1. Temperature test diagram

圖2 a為模塊1(9并7串)DOWN面測溫點位置示意圖；b為模塊1(9并7串)UPPER面測溫點位置示意圖； c為模塊2(9并6串)UPPER面測溫點位置示意圖；d為模塊2(9并6串) DOWN面測溫點位置示意圖; e為保護裝置充放電保護MOSFET表面測溫點位置示意圖；f試驗用鋰離子電池組實物圖Figure2. Down point for measuring temperature(a for module 1, d for modle 2);UPPER point for measuring temperature(b for modle 1, c for modle 2);Temperature measurement point of portective device(e); Physical diagram of lithium-ion batteries(f)

圖3 電池組不同溫度條件下充電測溫點最高溫度圖Figure 3. Charge side maximum temperature in the battery group under different temperature conditions.

2.3.2試驗方法

(1)充電：將試樣分別在25℃、45℃條件下恒溫4h進行4A(模擬充電器正常充電電流)充電；

(2)放電：將試樣在25℃條件下恒溫4h分別進行10A(正常工作電流)、35A(最大工作電流)放電，在45℃條件下恒溫4h進行35A放電。

具體試驗方法如表2所示。

表2 試驗方法

3 結果與分析

3.1 不同試驗溫度條件下充電

圖3為鋰離子電池組在25℃、45℃試驗溫度條件下充電時，電池組內特征單體電池、保護裝置充放電保護MOSFET測溫點最高溫度圖。由圖3a可以看出：電池組在25℃試驗溫度下，4A電流充電，最高溫度最大值的測溫點出現(xiàn)在模塊1中心單體電池負極集流體位置，溫度為29.6℃(測溫點6)；最小值出現(xiàn)在模塊1邊緣單體電池殼體表面，溫度為28℃(測溫點7)。值得注意的是柱狀圖的頂端幾乎在同一條平行線上，這表明電池組在該試驗條件下充電，電池組內部的特征單體電池和保護裝置的溫度幾乎一致，溫差很小。圖3b是電池組在45℃試驗溫度下，4A電流條件下充電時電池組的測溫點溫度柱狀圖，最高溫度最大值的測溫點亦出現(xiàn)在模塊1中心單體電池負極集流體位置，溫度為47.8℃(測溫點6)，僅高出保護裝置MOSFET表面溫度約0.2℃；最小值亦出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為47℃(測溫點7)。該柱狀圖的頂端亦呈一條直線趨勢，電池組內部特征單體電池和保護裝置的溫差非常小。

電池組在25℃和45℃試驗溫度下充電，電池組單體電池及保護裝置充放電保護MOSFET表面各溫度點之間表現(xiàn)出較高的一致性，圖3c近似一條直線，這充分表明電池組在允許的高溫條件下進行正常電流充電對電池組使用影響不大。

3.2 不同溫度不同電流條件下放電

圖4為鋰離子電池組在25℃10A、25℃35A、45℃35A條件下放電，電池組內特征單體電池、保護裝置充放電保護MOSFET測溫點的最高溫度圖。圖4a是電池組在25℃10A條件下放電，最高溫度最大值出現(xiàn)在模塊1中心單體電池正極集流體位置，溫度為36.6℃(測溫點5)，特征單體電池的溫度(測溫點1-9)在所有測試點溫度中相對較高，溫度均值為35.4℃；最小值出現(xiàn)在保護裝置充電保護MOSFET表面(測溫點10，溫度為31.4℃)，保護裝置充電保護MOSFET表面溫度(測溫點10,11,12,13)在所有測溫點中溫度相對較低，均值為31.6℃。25℃10A試驗條件下，即電池組在常溫正常工作電流條件下使用，電池組保護裝置充電保護MOSFET平均溫度相對單體電池平均溫度低3.8℃，各溫度點溫度表現(xiàn)出相對較好的一致性。

圖4b是電池組在25℃35A條件下放電測溫點的溫度圖，最高溫度最大值出現(xiàn)在保護裝置放電保護MOSFET表面(測溫點14,15,16,17)，溫度均值為71.6℃；在此試驗條件下，特征單體電池的溫度相對較低(測溫點1-9)，溫度均值為60.7℃，最小值出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為54.7℃。圖4c是電池組在45℃35A條件下放電測溫點的溫度圖，最高溫度亦出現(xiàn)在保護裝置放電保護MOSFET表面(測溫點14,15,16,17)，溫度均值高達75.8℃；此時，特征單體電池的溫度亦相對較低(測溫點1-9)，溫度均值為57.2℃，最小值亦出現(xiàn)在邊緣單體電池殼體表面，溫度為54.2℃。在25℃35A和45℃35A條件下，即電池組在最大工作電流下使用時，放電保護MOSFET表面最高溫度顯著升高，相對單體電池分別高出10.9℃和18.6℃。這表明電池組在最大工作電流條件下使用時，MOSFET溫升較高，與特征單體電池的溫差較大，因此保護裝置不宜與單體電池緊鄰放置，否則會影響電池使用，甚至有安全隱患。值得注意的是，即使在高溫高電流條件下使用該電池組，特征單體電池的溫度均未超過65℃，在該溫度內特征單體電池的發(fā)熱量仍然主要源于焦耳熱，安全性能有保障[5-6]。

圖4 電池組不同溫度不同電流條件下放電測溫點最高溫度圖Figure 4. Discharge side maximum temperature in the battery group under different temperature and current

4 結論

(1)電池組在常溫和允許的高溫條件下充電，對電池組使用影響不大。

(2)電池組在最大工作電流條件下使用時，MOSFET表現(xiàn)出較高的溫升。由于電動自行車用鋰離子電池組一般沒有輔助散熱條件，此時保護裝置不應與單體電池緊鄰放置，否則會影響電池使用，甚至有安全隱患。

(3)由于無特殊輔助散熱裝置，單體電池在充電和放電條件下都表現(xiàn)出中間單體電池溫度始終高于邊緣單體電池，在電池梯次利用時，應優(yōu)先選擇邊緣單體電池。

(4)電池組在設計溫度保護時，熱敏電阻應選擇放置在最不易散熱的單體電池處，不應選擇放置在邊緣單體電池表面。且應選擇在保護裝置與單體電池最近的地方放置熱敏電阻，設計溫度保護。

(5)電池組內部宜增加輔助散熱裝置，均衡電池組內部溫度，增強電動自行車在加速、爬坡、負重等特殊場景的使用安全性。

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