不同溫度控制模式下的鋰電池性能對比研究

汪銘磊，吳啟超，黃 瑞，2，陳芬放

(1.浙江大學 能源工程學院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學 能源與動力國家級實驗教學示范中心，浙江 杭州 310027)

0 引言

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。近5年，中國鋰離子電池產量逐年上升，從2016年的78萬萬只到2020年的188.5萬萬只，年平均增加率25%[1]。性能測試和熱管理方案是鋰離子電池的研究熱點。

鋰離子電池工作過程中對溫度的高敏感性決定了其需要熱管理方案的介入以更好地管理溫度。Hirano H，Tajima T等人采用液體揮發式方案進行熱管理，作者選擇沸點在34 ℃的氫氟醚，電池溫升最高2.5 ℃，對照組風冷溫升超過30 ℃[2]。Chen，Kaiwei等人采用水-乙二醇浸沒式方案進行溫度控制，通過液體浸沒吸收電池熱量，半導體制冷片帶走熱量。電池的整體溫升1 ℃，對照組風冷超過10 ℃[3]。曹磊等人采用蛇形扁管液體流動傳熱進行熱管理，設置初始溫度為20 ℃，電池2 C放電下最高溫升2.5 ℃[4]。不難發現，熱管理研究人員并沒有一個很明確的控溫指標，僅僅針對一個較大的電池最佳性能工作溫度區間進行控制[5-6]，或是更加關注溫度對電池一致性的影響[7]。

而電池性能探究更多的是基于環境溫度控制。S.S.Zhang，P.Keil，A.Jossen等人研究了不同充電方式對老化的影響，電池所處環境溫度固定為23 ℃[8-9]。S.Barcellona等人研究放電倍率對電池老化的影響，分析方向了在恒溫箱條件中不同放電倍率下電池的溫度變化[10]。高洋等人研究了不同充電應力以及不同SOC區間循環下的電池循環壽命，測試環境為25 ℃的恒溫箱[11]。李哲等人在探究磷酸鐵鋰電池的基本性能時，設計了一系列單因素以及多因素耦合實驗，因變量主要為環境溫度、充放電倍率以及充放電截止電壓[12]。

目前在電池系統上采取的熱管理系統控制能力強，但缺少相應的性能數據，因為性能測試更多的是在恒溫箱等條件下測試得到。因此本文希望通過測試環境溫度控制下的電池性能和表面溫度控制下的電池性能，來反映電池在不同溫度控制方案下的性能差異，并為電池熱管理系統設計提供數據支撐。

1 實驗

1.1 實驗裝置

在本文中，環境溫度控制通過恒溫箱實現，表面溫度控制通過一套自制的液冷裝置實現。在后文中，凡是提到表面溫度均是指在液冷裝置中的實驗結果，提到環境溫度均是在恒溫箱中的實驗結果。恒溫箱裝置通過調節冷、熱風流量僅控制內部環境的溫度保持恒定。液冷裝置如圖1所示，該裝置由恒溫水浴箱、制冷器、外循環水路、電池固定裝置構成。水浴箱自帶加熱棒，制冷器為半導體制冷片和散熱器構成，電池固定裝置為塑膠支架，冷卻液為水-乙二醇混合物。附加外循環水路加強電池表面熱傳遞過程，通過制冷器消除電池放電過程中以及水浴箱加熱產生的熱量。電池選用三星的N50E-21700圓柱形三元鋰離子電池，標稱容量4900 mAh，推薦工作溫度23 ℃，允許最大放電電流2 C(9.8 A)。分別使用兩種溫度控制裝置進行不同倍率下的電池放電溫升實驗，放電倍率選擇分別為0.5 C、1 C、2 C，放電時間分別為2 h、1 h、0.5 h。實驗初始溫度固定為23 ℃，電池表面溫度測量點為側面中心位置，溫度變化通過NI數據采集模塊測量。

兩種溫度控制方案下的電池溫升如圖2所示，在恒溫箱條件下，隨著放電倍率的增大，電池溫升陡增，在0.5 C、1 C、2 C倍率下，電池最終溫升分別為7 ℃、12.4 ℃、27.9 ℃，而液冷裝置中不同倍率下電池溫升均在0.1 ℃以內。

1.2 實驗方案

電池容量直接影響電動汽車的續駛里程，而準確的SOC估計更是人們在駕駛電動汽車時尤為在意的點。電池初始容量的準確性直接影響SOC估計的精確度，而電池容量又受溫度、充放電倍率等多方面的影響。

本文在恒溫箱以及恒溫水浴箱這兩種實驗裝置中分別進行環境溫度控制和表面溫度控制下的電池容量特性實驗。后文統一使用surface temperature control consistent STCC指代表面溫度控制；使用environment temperature control consistent ETCC指代環境溫度控制。本次試驗，電池充電條件均是在23 ℃恒溫箱內擱置半小時后，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0.098 A時停止充電。實驗變量為溫度與放電倍率，溫度調節范圍為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，倍率調節范圍為0.5 C、1 C、2 C。分別將充滿電的電池置于兩套裝置中靜置一個小時使得電池熱平衡，之后進行不同溫度以及不同倍率下的電池性能測試。性能測試主要為1 C倍率下的標準容量測試以及不同倍率下的放電容量測試。

2 結果與討論

2.1 標準放電容量對比

鋰離子電池的工作溫度區間為-20～60 ℃，適宜工作溫度區間為20～45 ℃。但在不同溫度下，兩套裝置中鋰離子電池的標準放電容量存在很大差異。圖3為兩種溫度控制方案下電池容量與溫度的關系結果圖。在恒溫箱測試中，電池在10 ℃和50 ℃下容量相差200 mAh，接近5%；而在水浴裝置中，10 ℃和50 ℃下的容量相差500 mAh，接近10%。圖4是兩種溫度控制方案下容量變化與溫度變化的關系。ETCC的電池在10～50 ℃的溫度區間內相比STCC的電池容量分別增加了7.2%、5.0%、2.2%、1.9%、0.9%。單獨的，10 ℃下，ETCC電池放電容量比STCC電池多了300 mAh，在50 ℃下僅相差45 mAh，而ETCC電池放電容量從10 ℃上升到50 ℃僅增大230 mAh。在10～50 ℃的溫度區間內，STCC電池相較于環境溫度不變的電池，其放電容量隨溫度的變化幅度更加劇烈，尤其是在區間前半段也就是溫度較低范圍內，每上升10 ℃，容量提升近200 mAh，接近恒溫箱條件下40 ℃溫差所帶來的容量差異。

2.2 放電曲線對比

圖5和圖6為兩種溫度控制方案下不同溫度時鋰離子電池的標準放電曲線，為了方便比較，圖7對比了10℃、30℃、50 ℃下兩種控溫方案下的放電曲線，圖8為這三種溫度下不同放電容量時的電壓差。在圖7中，相同形狀曲線代表同一溫度下不同實驗裝置中電池的放電曲線，且實驗裝置溫度越高，該溫度下的電池整體放電電壓平臺越高。在不同溫度下，ETCC的電池整體電壓平臺均高于STCC的電池，但溫度越高，這個差距就越小。為了更方便說明，此處定義當前溫度下一溫度為當前溫度上升10 ℃的溫度。在放電初期，ETCC的電池與STCC的電池電壓下降趨勢接近，但下降速度更小，且均未超出下一溫度值的STCC的電池。隨著放電的進行，同一溫度下的兩種控溫方案電池電壓差距逐漸變大，且當前ETCC電池電壓開始超過下一溫度的STCC的電池。從放電結束后兩種方案下曲線的分布也可以看出，ETCC的電池分布更加緊密，在溫度高于40 ℃以后幾乎保持重合，而對于STCC的電池，雖然隨著溫度升高，曲線分布也變得更加緊密，但在50 ℃下仍有較大差距。這一方面意味著在低溫度區間，環境溫度不變與表面溫度不變條件下的電池容量存在較大差異，隨著溫度升高，這個差異會逐漸減小，但仍不可忽視。另一方面，三元鋰離子電池因工作平臺電壓高，所以其能量密度也較高。而從該圖中我們不難發現，表面溫度不變和環境溫度不變條件下的電池放電電壓平臺存在較大差異，這一差異也會導致不同條件下的電池其放電能量存在較大差異，最終導致續駛里程的較大不同。

2.3 放電倍率影響

放電倍率的不同也會帶來鋰離子電池放電容量的變化，圖9是電池不同溫度時在兩種溫度控制方案下電池容量和放電倍率的關系圖。從圖中可以明顯發現，ETCC電池在不同放電倍率的作用下其容量在任一溫度下均顯著高于STCC電池，并且放電倍率越大，二者容量差異越大。2 C放電倍率下，在10 ℃下二者相差1500 mAh，且50 ℃下的STCC電池容量仍小于10 ℃下的ETCC電池容量。放電倍率對ETCC電池容量的影響相對于STCC電池更小，尤其是在溫度上升到30 ℃以后，放電容量幾乎與放電倍率無關。而對于STCC電池，放電倍率對電池容量的影響不遜色于溫度對電池容量的影響，電池容量隨放電倍率的增大而顯著降低，尤其是在30 ℃以下1 C倍率相較于2 C倍率的情況。從溫度的影響看，在兩套裝置中都是在10～30 ℃的溫度區間內，容量隨溫度的上升而顯著增加，其中，STCC電池容量增長幅度遠大于ETCC電池容量，而在40～50 ℃的溫度區間內，ETCC電池容量基本保持不變，達到了最大值，且不同放電倍率下容量仍保持一致。而STCC電池容量仍隨溫度上升而增大，且放電倍率越小，容量越大，并且在50 ℃時電池容量仍未達到最大值。同時從50 ℃下的2 C放電容量看，STCC電池相較于ETCC電池來說仍偏小200 mAh，這說明STCC的電池，其對放電倍率的變化更加敏感，且通常認為的20～45 ℃溫度區間并不一定是STCC下的電池最佳工作溫度區間，同時2 C倍率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(出于安全考慮，本實驗未做恒溫箱中50 ℃下的電池2 C放電實驗) 。

3 總結

本研究中，通過液冷方案實現了不同溫度以及不同放電倍率下電池表面溫度的穩定控制，并在此基礎上與環境溫度控制下的電池性能測試形成對比，分析兩種溫度控制方案下電池的性能差異。因電池容量受其工作溫度的影響很大，兩種方案下的容量特性呈現出明顯的差異，STCC電池容量隨溫度變化更明顯，且低溫下容量衰減急劇增加，1 C放電倍率下從20 ℃降到10 ℃容量衰減了4.2%，而2 C放電倍率下從20 ℃降到10 ℃容量衰減了24.2%，同樣的2 C放電倍率下，ETCC電池僅衰減了0.9%。這一方面說明了溫度對兩種控溫方案下的電池容量影響程度不一致，另一方面也說明放電倍率等其他影響因素在兩種控溫方案下對電池容量的影響規律也表現出很強的不一致性，STCC電池對外在因素的敏感性更強，且與環境控溫下得出的結論存在差異，如隨著放電倍率增大，ETCC電池容量在低溫區(10～20 ℃)隨之變大，在高溫區(30～50 ℃)隨之變小；而STCC電池容量在整個實驗溫度范圍內均隨放電倍率增大而減小，且溫度越低幅度越大。