純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組熱特性研究

車翠翠　唐玉峰

摘 要：分析了鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)熱機(jī)理，得出電池發(fā)熱與電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)、電池充電狀態(tài)（SOC）值、電池內(nèi)阻和電流倍增率等因素有關(guān)。通過實(shí)驗(yàn)研究了三元鋰離子電池在不同環(huán)境溫度下的重要性能指標(biāo)，結(jié)果表明：放電容量隨環(huán)境溫度的升高而增大，隨放電速率的增大而減?。坏蜏貢r(shí)直流內(nèi)阻明顯增大，放電內(nèi)阻大于充電內(nèi)阻；從放電效率曲線獲得電池正常運(yùn)行的參考溫度范圍，可為電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的開發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車 三元鋰離子電池 環(huán)境溫度 電池?zé)峁芾?/p>

常規(guī)引擎產(chǎn)生的尾氣會(huì)造成環(huán)境污染，溫室效應(yīng)和氣候變暖。在各種電力車輛中，使用最多的就是蓄電池，鋰離子電池在運(yùn)行時(shí)不可避免要產(chǎn)生一定的熱量，其溫度的高低直接關(guān)系到電池的性能，對(duì)不同環(huán)境下的鋰離子電池特性進(jìn)行分析將有助于推進(jìn)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步開發(fā)高效清潔的新能源汽車[1]。

目前，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池?zé)崽匦缘难芯恐饕性趧?dòng)力電池加熱和冷卻模型的理論研究，以及不同環(huán)境條件下動(dòng)力電池性能的實(shí)驗(yàn)分析。鋰離子動(dòng)力電池的重要性能指標(biāo)與電池發(fā)熱機(jī)理之間的關(guān)系尚未得到深入研究[2]。

本文主要針對(duì)3.67 V/50 ah的三元鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度，對(duì)各種工況下的電池性能進(jìn)行了研究，為電池?zé)峁芾硖峁┝艘罁?jù)。

1 鋰離子電池的發(fā)熱機(jī)理

鋰離子電池的熱量來源主要是電池本身產(chǎn)生的熱量和與外界溫度的熱交換兩個(gè)方面。

1.1 鋰離子電池的發(fā)熱

在實(shí)際分析中，一般采用Sato等人提出的實(shí)驗(yàn)分析方法，該方法認(rèn)為電池本身的加熱主要是指電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的熵變產(chǎn)生的可逆熱Qr、歐姆內(nèi)阻熱QJ和極化內(nèi)阻熱QP。除了上述三個(gè)熱源之外，在電池充電和放電期間電池會(huì)產(chǎn)生一定的副反應(yīng)熱Qs，但在車輛正常使用時(shí)，Qs很低，可以忽略[3]。因此在充電和放電期間，鋰離子電池的總發(fā)熱量Q為：

（1）

式中：F為法拉第常數(shù)；T為溫度；E為電池電動(dòng)勢(shì)；I為充放電電流；R為電池總內(nèi)阻。

在評(píng)估鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)熱時(shí)，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得電池的電壓損失，從而獲得電池的總電功率。

1.2 鋰離子電池的熱交換

鋰離子電池的傳熱方式可分為三類：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。通常，只需考慮熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流的影響[4]。鋰離子電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，通過導(dǎo)熱的方式傳遞到電池的表面，再與外界環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，傳熱過程所傳遞的熱量可由下列方程確定：

（2）

式中：Φ為傳遞的熱量；k為傳熱系數(shù)；A為電池的表面積；（tf1-tf2）為冷熱流體平均溫差。

通過對(duì)鋰離子電池發(fā)熱機(jī)理的分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三元鋰離子電池在室溫下能及時(shí)釋放自身熱量。但是，隨著外界環(huán)境的改變，電池的性能也會(huì)隨之改變，從而產(chǎn)生熱。方程式（2）表明電池的對(duì)流換熱與室溫有很大的關(guān)系。根據(jù)以上因素，將在不同的環(huán)境溫度下進(jìn)行電池性能的測(cè)試[5]。

1.3 溫度對(duì)電池特性影響分析

在電池容量、電池內(nèi)阻等因素一定的條件下，環(huán)境溫度對(duì)電池性能有著非常顯著的影響。為了確保電池在合適的溫度范圍內(nèi)正常工作，并確定其熱管理的控制指標(biāo)，有必要分析其在不同工作溫度下的工作特性。

1.3.1 溫度對(duì)鋰離子電池容量影響

將新到貨的鋰離子電池置于室溫下1個(gè)小時(shí)，并釋放到一定的電流，直到電池電壓達(dá)到最終電池電壓，并計(jì)算電池功率。下圖基于現(xiàn)有的鋰離子動(dòng)力電池研究成果，得到了不同環(huán)境溫度和放電比下鋰離子動(dòng)力蓄電池的容量保持率曲線。

從測(cè)量結(jié)果可以看出，鋰離子電池的容量對(duì)溫度變化非常敏感。在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量嚴(yán)重下降，隨著溫度的升高，電池的容量逐漸增加。在室溫（以下）下，容量隨溫度升高而明顯變化，但當(dāng)溫度超過20℃時(shí)，容量變化逐漸減緩。因此，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)避免在溫度過低的環(huán)境中工作，并應(yīng)為低溫環(huán)境中的電池組制定合理的加熱和絕緣策略[6]。

1.3.2 溫度對(duì)鋰離子電池內(nèi)阻影響

由于內(nèi)阻存在會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)熱現(xiàn)象，內(nèi)阻過高極易引發(fā)熱失控，因此有必要對(duì)內(nèi)歐姆電阻和內(nèi)極化電阻進(jìn)行分析。

鋰離子電池內(nèi)阻與溫度、SOC、充放電比等因素密切相關(guān)，主要討論了不同工作溫度下電池內(nèi)阻與SOC的關(guān)系[7]。根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，采用峰值功率測(cè)試方法檢測(cè)電池的內(nèi)阻，電池在高電流下放電30秒，在基本電流下放電1050秒，電池SOC值降低10%，以此類推，直至SOC值為0。圖3為本試驗(yàn)中放電電流的變化情況。

測(cè)量并記錄1、2、3處的電壓和電流，測(cè)量的歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻為：

式中，V1為一個(gè)蓄電池電壓；V2為兩個(gè)蓄電池電壓；V3為三個(gè)蓄電池電壓；△I是指大電流和基本電流之間的差異。

蓄電池的內(nèi)阻為：

采用此方法對(duì)不同環(huán)境溫度下的鋰離子動(dòng)力電池的內(nèi)電阻進(jìn)行了測(cè)試。

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的內(nèi)阻隨著溫度的升高而降低。這是由于隨著溫度升高鋰離子電池中的電化學(xué)反應(yīng)速率加快，正、負(fù)兩種電極的運(yùn)動(dòng)速率提升，從而使電化學(xué)極化反應(yīng)減小。研究發(fā)現(xiàn)，在負(fù)荷條件下，內(nèi)阻值和SOC值在大于0.2的情況下幾乎沒有變化，而小于0.2的內(nèi)阻值會(huì)迅速增加。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)盡量避免電池在低負(fù)荷條件下工作。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，電池的內(nèi)阻幾乎是恒定的，沒有過放電，因此在今后的研究中可以近似地將其視為一個(gè)固定值[8]。

2 鋰離子電池?zé)崽匦匝芯?/p>

采用實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)不同溫度下鋰電子電池的放電容量、內(nèi)部直流電阻、放電效率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量與分析。

2.1 環(huán)境溫度與放電容量

在室溫下用1C的電流將電池放電至截止電壓，靜置1h將其再充電至4.25V，隨后在1個(gè)小時(shí)內(nèi)用恒壓充電到2.8V。將充好電的蓄電池放置在高低溫測(cè)試箱中2小時(shí)；在此段時(shí)間內(nèi)，記錄不同溫度下電池的放電能力分別為0.1C、0.3C、1C、2C、3C、4C時(shí)，達(dá)到2.8V的單電壓。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著環(huán)境溫度的增加，電池容量增大。圖5所示，當(dāng)多次放電時(shí)，電池的初始放電電壓呈遞減趨勢(shì)。在25℃以下，放電能力稍有降低，并能獲得更大的釋放，當(dāng)環(huán)境溫度超過25℃時(shí)放電能力均較高且較為穩(wěn)定。

2.2 環(huán)境溫度與直流內(nèi)阻

采用混合脈沖功率特性測(cè)試（HPPC）技術(shù)測(cè)量電池內(nèi)部電阻。按照2.1節(jié)中的測(cè)試方法，將電池放入空氣中充電，然后放置到位。在1/3C恒定電流下，將SOC電池調(diào)節(jié)到0.9，放置1小時(shí)，然后在10秒鐘之內(nèi)記錄下放電前后的電壓和電流；擱置40s，再充電10秒，記錄電流和電壓在充電前后的變化；接著在1/3 C的恒流下持續(xù)放電，直至放電功率達(dá)10%（DOD）1小時(shí)。循環(huán)“以1/3C恒流放電，調(diào)整電池的SOC值為0.9，擱置1h”，直至80%的總放電。其中，電池SOC值為0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2，0.1；工作環(huán)境為-25℃，0℃，25℃，40℃[9]。

研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的增加，電池內(nèi)部電阻逐漸減小，但其內(nèi)部電阻比帶電時(shí)要大。

從圖6可以看出，當(dāng)溫度為25～40℃時(shí)，電池內(nèi)阻在不同SOC條件下變化不大；當(dāng)溫度為0～-25℃時(shí)，SOC值在0.4～0.9范圍內(nèi)具有很小的內(nèi)阻，但當(dāng)SOC值小于0.4時(shí)，內(nèi)阻隨著SOC值的增加而增加明顯。

從圖7可以看出，在電池充電期間，在0、25、40℃的環(huán)境溫度下，電池內(nèi)部電阻的變化比較??；溫度為-25℃時(shí)，電池的內(nèi)部電阻很高。在SOC值低于0.4時(shí)，電池內(nèi)部電阻增加顯著。

2.3 環(huán)境溫度與放電效率

在特定的放電狀態(tài)下，電池實(shí)際輸出功率與額定功率之比即為放電效率。考慮到各種損耗和不可逆因素，實(shí)際上電池的輸出能力約為80%。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電池壽命，可確定電池的最佳工作溫度范圍。試驗(yàn)方法與2.1節(jié)相同，使用1C的方法對(duì)電池進(jìn)行放電，并在不同溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。

放電效率的測(cè)定方法與2.1節(jié)相同，采用1C的放電電流方法對(duì)電池進(jìn)行放電，記錄不同溫度下的數(shù)值。從圖9所示的結(jié)果來看，在環(huán)境溫度小于-15℃時(shí)和大于53℃時(shí)，電池的放電效率較低。這是由于在低溫放電時(shí)，電池內(nèi)部電阻較大，導(dǎo)致電池電壓提前進(jìn)入分?jǐn)嗥?，影響放電能力；在高溫時(shí)，電解質(zhì)濃度太低，造成了電池材料的不可逆衰減，放電能力變差。此就放電效率而言，應(yīng)盡量保證鋰離子動(dòng)力電池的工作溫度在0℃～45℃之間。

3 結(jié)語

結(jié)合鋰電子電池的發(fā)熱及傳熱特點(diǎn)，對(duì)不同環(huán)境溫度下的鋰離子三元電池主要性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量與分析，得出：第一，低溫時(shí)電池的放電容量衰減明顯，隨溫度的升高放電容量快速增長，在常溫下比較穩(wěn)定，高溫時(shí)增加放緩。第二，在不同溫度下，在室溫、高溫時(shí)，內(nèi)部充放電電阻值都比較小，且變化不大；在低溫條件下，隨著SOC的降低，充放電的內(nèi)部電阻也隨之升高。根據(jù)蓄電池的受熱機(jī)制，蓄電池的內(nèi)部電阻和極化內(nèi)阻均會(huì)增大，從而增大蓄電池的熱負(fù)載，從而影響蓄電池的性能、安全性和使用壽命，從而給蓄電池的熱管理帶來一定的難度。第四，根據(jù)環(huán)境溫度和放電效率曲線，結(jié)合以上研究結(jié)果，可以看出0～50℃應(yīng)該是汽車鋰離子電池的合適熱管理設(shè)計(jì)溫度。

備注：本文系山東交通學(xué)院博士科研啟動(dòng)資金資助項(xiàng)目（BS2018043）研究成果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李偉娟.純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組布置效率提升方法[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2022，47（12）：21-24.

[2]武雅麗，伍川輝，于蘭英.電動(dòng)汽車模塊化動(dòng)力電池組的散熱分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2022，（07）：135-138.

[3]Noboru Sato，Kazuhiko Yagi.Thermal behavior analysis of nickel metal hydride batteries ofelectric vehicles[uJ].JSAE Review，2000，21：208-209.

[4]尹揚(yáng)俊.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組火災(zāi)預(yù)防及對(duì)策[J].今日消防，2021，6（05）：131-132.

[5]伍川輝，武雅麗，吳文海，于蘭英.電動(dòng)汽車模塊化動(dòng)力電池組的低溫預(yù)熱分析[J].艦船電子工程，2021，41（03）：107-110+149.

[6]林金源，魏小紅.純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組液冷系統(tǒng)優(yōu)化及冷卻性能分析[J].時(shí)代汽車，2020，（17）：103-104.

[7]王延寧.純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組液冷系統(tǒng)優(yōu)化及冷卻性能研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2020，34（06）：83-89.

[8]程清偉.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組SOC均衡控制算法仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（04）：87-90+177.

[9]王亮，韓旭，張明輝，王秀春.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組相變材料冷卻的數(shù)值模擬[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，48（01）：57-62.