不同換熱環境對電池性能影響的試驗研究

黃 瑞，汪銘磊，吳啟超，徐一丹，俞小莉

（浙江大學a.能源工程學院；b.浙江省汽車智能熱管理科學與技術重點實驗室，杭州 310027）

0 引言

目前，鋰離子電池因其具有能量密度高、工作電壓平臺高、無記憶效應、自放電率低以及使用壽命長等一系列優點，成為車載動力電池的優選對象［1-2］。但電池在充放電過程中會發生一系列反應產生大量熱量，另外，當環境溫度高于一定值時，電池內部也會自發地進行一些化學反應使得電池不斷產熱，導致電池溫度上升［3］。如果不能很好地控制溫度，會導致電池性能的快速衰退。當溫度過高或過低時，均會加速電池性能的惡化以及壽命的衰減［4-6］。當惡化到一定程度時，將會引起電池熱失控乃至爆炸，或導致電池容量“跳水”，提前報廢［7］。溫度對于電池性能的影響是不可忽視的，不同溫度下電池的工作容量相差甚至近一倍［8-10］。

學者在進行電池性能的研究時，一般通過恒溫箱來對電池所處的環境溫度進行控制，電池處在恒溫箱提供的空氣對流換熱環境中［11-13］。而在工程實際中，由于熱管理系統的控制手段和策略不同，電池所處的換熱環境多變且復雜。Wang等［14］采用強制風冷策略進行鋰離子電池的熱力學研究，探究不同方案下電池組的熱性能，當風扇安裝位置、空氣流速、氣流路徑長度及截面積、電池組排列方式變化時，強制風冷的控制效果均會發生改變。曹磊［11］采用蛇形扁管液體流動傳熱進行熱管理，研究不同角度下的冷卻效果，在不同體積的鋰離子電池下，不同的電池所處模組位置下，電池的溫度場分布均不相同。Chen等［15］采用水-乙醇液體浸沒式方案進行熱管理，實驗結果顯示電池的整體溫升在1 ℃以內，而對照組風冷溫升達到了10 ℃以上。

由此可見，不同換熱環境下電池在充放電過程中的溫度狀態均不一致。因此，本文通過測試以恒溫箱為典型的空氣對流換熱環境和以浸沒冷卻為典型的液體對流換熱環境下的電池充放電、老化數據，研究電池在不同換熱環境下的性能差異，探究不同換熱環境下的電池性能變化規律，為電池熱管理系統設計提供更為直接、準確地控制策略。

1 實驗系統設計

為了獲得不同換熱環境下鋰離子電池的性能測試數據并進一步探究其變化規律，本文所使用的電池測試實驗系統需要滿足：①穩定的電池換熱環境的維持；②電池充放電實驗的開展；③電壓、電流、容量等參數的測量；④電池溫度的監測與控制；⑤電池數據的采集與記錄；⑥各設備的上位機控制。

本文采用的電池測試系統主要由電池充放電循環儀、環境溫度控制裝置、2 套溫度控制裝置、NI 溫度采集模塊及熱電偶等組成。該系統用于電池在不同換熱環境下進行不同工況的性能測試，主要包括不同溫度不同倍率的充放電性能測試、不同工況下的老化循環實驗等。系統實物圖如圖1 所示。系統中各設備型號及用途見表1 所列。

圖1 電池測試系統

表1 電池測試系統實驗裝置明細

2 測試對象及試驗方法

本文選用三星N50E-21700 圓柱形三元鋰離子電池作為研究對象，電池基本性能參數見表2 所列。

表2 N50E電池基本性能參數

本研究鋰離子電池在不同換熱環境下的基礎性能和老化性能變化規律，其實驗方案包括：

（1）放電特性。電池充電條件統一為23 ℃恒溫箱內擱置1 h，通過恒流（2.45 A）恒壓（4.2 V）模式進行充電，當恒壓階段電流下降至1／50 C即98 mA時停止充電。分別在恒溫箱以及液體浸沒式裝置中擱置1 h，設置放電倍率為0.5、1、2 C，進行恒流放電測試，放電截止電壓2.5 V，選環境溫度為10、20、30、40、50 ℃，每組實驗重復3次，取平均值。

（2）充電特性。電池放電條件統一為23 ℃恒溫箱內擱置1 h，1C放電至電壓為2.5 V，結束放電。分別在恒溫箱以及液體浸沒式裝置中擱置1 h，設置充電倍率為0.5、1 C，進行恒流恒壓充電實驗，選環境溫度為10、20、30、40、50 ℃，每組實驗重復3次，取平均值。

（3）循環測試。本文實驗選取3 個實驗溫度：15、30、45 ℃，測試環境分別為恒溫箱方案和液體浸沒式方案。待電池在不同裝置中擱置1 h 后展開循環老化試驗。試驗充電條件為恒流（4.9 A）恒壓（4.2 V）式，當恒壓階段電流下降至1／50 C即98 mA時停止充電。擱置5 min后放電，放電條件為恒流（4.9 A）放至電壓為2.5 V停止放電，放電后擱置25 min開始下一輪循環。循環結束條件為電池標準容量下降至標稱容量的80%，或循環容量衰減至第1 次循環容量的80%。

3 結果與討論

3.1 放電特性

電池放電容量在不同運行工況下均會發生較大變化，圖2 為兩種換熱環境中電池在不同環境溫度下的放電容量和放電倍率的關系圖。

圖2 在不同放電倍率下電池放電容量

在10～30 ℃的溫度區間內，兩種方案下電池容量隨溫度的上升而增加，其中液體浸沒式方案增長幅度遠大于恒溫箱方案。在40～50 ℃的溫度區間內，恒溫箱方案下電池容量基本保持不變，達到了最大值，而液體浸沒式方案電池下電池容量仍隨溫度上升而增大，且放電倍率越小，容量越大。

在50 ℃溫度2 C放電倍率下，液體浸沒式方案電池容量比恒溫箱方案低200 mAh，這說明液體浸沒式方案下的電池，其對放電倍率的變化更加敏感。同時，2 C下的電池對低溫也更加敏感，溫度低于20 ℃時，電池容量急劇減小。

3.2 充電特性

圖3 為兩種換熱環境不同充電倍率下不同充電階段的充電容量，本文實驗采用恒流恒壓充電，截止電流1／50 C（98 mA），因此，在不同環境溫度不同充電倍率下，電池總充電容量基本一致。低充電倍率下，隨著溫度上升，2 種換熱環境下電池的恒流階段充電容量差異增大；高充電倍率下，隨著溫度上升，兩種換熱環境下電池的恒流階段充電容量差異減小。且0.5 C充電倍率下兩種換熱環境10 ℃下恒流階段充電容量均接近1 C 充電倍率下兩種換熱環境50 ℃下充電容量。從整體看，兩種換熱環境下電池恒流階段充電容量與環境溫度近似呈線性關系，且在0.5 C 的充電倍率下體現出更好的溫度適應性。不同的是液體浸沒式方案下電池需達到更高的目標溫度才能表現出與恒溫箱方案下電池相同的恒流階段充電容量，其充電容量相較于恒溫箱方案下存在滯后現象但保持一致的變化趨勢，其滯后程度隨著充電倍率的增大而增大。

圖3 在不同充電階段電池的充電容量

3.3 老化特性

（1）循環容量。圖4 為兩種換熱環境下電池循環容量變化曲線。同一溫度下，液體浸沒式方案下電池整體老化曲線均在恒溫箱方案下電池老化曲線下方，老化差異隨溫度上升而增大。整體來看，兩種換熱環境下電池老化速率均隨溫度上升而變慢，且溫度越低，后期老化速率越慢。不同工況下電池的初始循環容量存在差異，為了進一步對比，作了不同換熱環境下電池的容量損失率比較，如圖5 所示。恒溫箱方案下，同樣環境溫度變化對電池老化的影響相較于液體浸沒式方案下電池更加明顯。圖5 中分離點1 代表液體浸沒式方案30 ℃控制下和恒溫箱方案15 ℃控制下電池進入快速老化期，分離點2 代表液體浸沒式方案45 ℃控制下和恒溫箱方案30 ℃控制下電池進入快速老化期。相比于恒溫箱方案下電池，液體浸沒式方案下電池在相同環境溫度下總是提前進入快速老化期，在相同老化速率下其環境溫度總是要更高。

圖4 電池循環使用容量變化曲線

圖5 不同換熱環境下電池容量損失率比較

（2）標準容量。圖6 為兩種換熱環境下不同目標溫度下電池老化過程中的標準容量變化曲線，圖中每個數據點為不同工況下電池在不同循環次數下測得的標準放電容量平均值，其衰減規律呈現出與循環容量相似的規律。從整體看，溫度對電池老化的影響是決定性的，溫度越高，電池循環次數越多，衰退速率越慢。老化前期，除了15 ℃工況下，兩種換熱環境下電池均過早結束老化，其余目標溫度下液體浸沒式方案下電池的標準容量均高于恒溫箱方案下電池。15 和30 ℃工況下，兩種換熱環境下電池標準容量變化總是不斷遞增，而45 ℃工況下電池后期衰退速率保持穩定且恒溫箱方案下電池無快速衰退期。對于不同熱管理方案控制下的電池，其最佳適宜溫度并不一致，且存在較大差異，其隨溫度的老化規律也不盡相同。同一環境溫度下，不同換熱環境下電池老化差異也存在較大差異，且溫度越高，該差異越大。

圖6 電池標準容量變化曲線

4 結語

本文對不同換熱環境下電池性能的變化規律進行了研究，通過以恒溫箱為典型的空氣對流換熱環境和以浸沒冷卻為典型的液體對流換熱環境下的實驗并取得電池充放電及老化數據，結果表明：①恒溫箱方案下的電池在環境溫度30 ℃以下時放電倍率越高放電容量越大，30 ℃以上時則反之；而液體浸沒式方案下的電池則始終表現為放電倍率越大放電容量越小。②不同充電倍率下，電池充電電流截止時刻均是低溫優先、恒溫箱方案優先。③在電池老化周期衰減臨界點后，液體浸沒式方案下的電池衰減速率遠高于恒溫箱方案下的電池。本文可進一步探究電池內部溫度場分布以及該分布規律與電池的性能變化規律，從而指導設計更優化的電池熱管理方案。