純電動汽車用動力電池組熱特性研究

車翠翠　唐玉峰

摘 要：分析了鋰離子動力電池的發熱機理，得出電池發熱與電動勢溫度系數、電池充電狀態（SOC）值、電池內阻和電流倍增率等因素有關。通過實驗研究了三元鋰離子電池在不同環境溫度下的重要性能指標，結果表明：放電容量隨環境溫度的升高而增大，隨放電速率的增大而減小；低溫時直流內阻明顯增大，放電內阻大于充電內阻；從放電效率曲線獲得電池正常運行的參考溫度范圍，可為電動汽車電池熱管理系統的開發提供參考。

關鍵詞：純電動汽車 三元鋰離子電池 環境溫度 電池熱管理

常規引擎產生的尾氣會造成環境污染，溫室效應和氣候變暖。在各種電力車輛中，使用最多的就是蓄電池，鋰離子電池在運行時不可避免要產生一定的熱量，其溫度的高低直接關系到電池的性能，對不同環境下的鋰離子電池特性進行分析將有助于推進電池熱管理技術的發展，進一步開發高效清潔的新能源汽車[1]。

目前，對鋰離子動力電池熱特性的研究主要集中在動力電池加熱和冷卻模型的理論研究，以及不同環境條件下動力電池性能的實驗分析。鋰離子動力電池的重要性能指標與電池發熱機理之間的關系尚未得到深入研究[2]。

本文主要針對3.67 V/50 ah的三元鋰離子電池進行實驗從理論和試驗兩個角度，對各種工況下的電池性能進行了研究，為電池熱管理提供了依據。

1 鋰離子電池的發熱機理

鋰離子電池的熱量來源主要是電池本身產生的熱量和與外界溫度的熱交換兩個方面。

1.1 鋰離子電池的發熱

在實際分析中，一般采用Sato等人提出的實驗分析方法，該方法認為電池本身的加熱主要是指電池內部電化學反應的熵變產生的可逆熱Qr、歐姆內阻熱QJ和極化內阻熱QP。除了上述三個熱源之外，在電池充電和放電期間電池會產生一定的副反應熱Qs，但在車輛正常使用時，Qs很低，可以忽略[3]。因此在充電和放電期間，鋰離子電池的總發熱量Q為：

（1）

式中：F為法拉第常數；T為溫度；E為電池電動勢；I為充放電電流；R為電池總內阻。

在評估鋰離子動力電池的發熱時，可以通過實驗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、熱對流和熱輻射。通常，只需考慮熱傳導和熱對流的影響[4]。鋰離子電池內部產生的熱量，通過導熱的方式傳遞到電池的表面，再與外界環境進行對流換熱，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；A為電池的表面積；（tf1-tf2）為冷熱流體平均溫差。

通過對鋰離子電池發熱機理的分析和計算，發現三元鋰離子電池在室溫下能及時釋放自身熱量。但是，隨著外界環境的改變，電池的性能也會隨之改變，從而產生熱。方程式（2）表明電池的對流換熱與室溫有很大的關系。根據以上因素，將在不同的環境溫度下進行電池性能的測試[5]。

1.3 溫度對電池特性影響分析

在電池容量、電池內阻等因素一定的條件下，環境溫度對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正常工作，并確定其熱管理的控制指標，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個小時，并釋放到一定的電流，直到電池電壓達到最終電池電壓，并計算電池功率。下圖基于現有的鋰離子動力電池研究成果，得到了不同環境溫度和放電比下鋰離子動力蓄電池的容量保持率曲線。

從測量結果可以看出，鋰離子電池的容量對溫度變化非常敏感。在低溫環境下，鋰離子電池的容量嚴重下降，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，但當溫度超過20℃時，容量變化逐漸減緩。因此，鋰離子動力電池應避免在溫度過低的環境中工作，并應為低溫環境中的電池組制定合理的加熱和絕緣策略[6]。

1.3.2 溫度對鋰離子電池內阻影響

由于內阻存在會導致電池發熱現象，內阻過高極易引發熱失控，因此有必要對內歐姆電阻和內極化電阻進行分析。

鋰離子電池內阻與溫度、SOC、充放電比等因素密切相關，主要討論了不同工作溫度下電池內阻與SOC的關系[7]。根據現有的研究結果，采用峰值功率測試方法檢測電池的內阻，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為本試驗中放電電流的變化情況。

測量并記錄1、2、3處的電壓和電流，測量的歐姆內阻和極化內阻為：

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

蓄電池的內阻為：

采用此方法對不同環境溫度下的鋰離子動力電池的內電阻進行了測試。

通過對實驗數據的分析，發現鋰離子電池的內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反應速率加快，正、負兩種電極的運動速率提升，從而使電化學極化反應減小。研究發現，在負荷條件下，內阻值和SOC值在大于0.2的情況下幾乎沒有變化，而小于0.2的內阻值會迅速增加。因此，在實際運行中，應盡量避免電池在低負荷條件下工作。同時可發現，電池的內阻幾乎是恒定的，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固定值[8]。

2 鋰離子電池熱特性研究

采用實驗的方法，對不同溫度下鋰電子電池的放電容量、內部直流電阻、放電效率等關鍵參數進行了測量與分析。

2.1 環境溫度與放電容量

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個小時內用恒壓充電到2.8V。將充好電的蓄電池放置在高低溫測試箱中2小時；在此段時間內，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，達到2.8V的單電壓。

實驗發現，隨著環境溫度的增加，電池容量增大。圖5所示，當多次放電時，電池的初始放電電壓呈遞減趨勢。在25℃以下，放電能力稍有降低，并能獲得更大的釋放，當環境溫度超過25℃時放電能力均較高且較為穩定。

2.2 環境溫度與直流內阻

采用混合脈沖功率特性測試（HPPC）技術測量電池內部電阻。按照2.1節中的測試方法，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電池調節到0.9，放置1小時，然后在10秒鐘之內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的恒流下持續放電，直至放電功率達10%（DOD）1小時。循環“以1/3C恒流放電，調整電池的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；工作環境為-25℃，0℃，25℃，40℃[9]。

研究發現，隨著溫度的增加，電池內部電阻逐漸減小，但其內部電阻比帶電時要大。

從圖6可以看出，當溫度為25～40℃時，電池內阻在不同SOC條件下變化不大；當溫度為0～-25℃時，SOC值在0.4～0.9范圍內具有很小的內阻，但當SOC值小于0.4時，內阻隨著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℃的環境溫度下，電池內部電阻的變化比較小；溫度為-25℃時，電池的內部電阻很高。在SOC值低于0.4時，電池內部電阻增加顯著。

2.3 環境溫度與放電效率

在特定的放電狀態下，電池實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，實際上電池的輸出能力約為80%。在此基礎上，結合電池壽命，可確定電池的最佳工作溫度范圍。試驗方法與2.1節相同，使用1C的方法對電池進行放電，并在不同溫度下進行試驗。

放電效率的測定方法與2.1節相同，采用1C的放電電流方法對電池進行放電，記錄不同溫度下的數值。從圖9所示的結果來看，在環境溫度小于-15℃時和大于53℃時，電池的放電效率較低。這是由于在低溫放電時，電池內部電阻較大，導致電池電壓提前進入分斷期，影響放電能力；在高溫時，電解質濃度太低，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，應盡量保證鋰離子動力電池的工作溫度在0℃～45℃之間。

3 結語

結合鋰電子電池的發熱及傳熱特點，對不同環境溫度下的鋰離子三元電池主要性能參數進行了測量與分析，得出：第一，低溫時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，在常溫下比較穩定，高溫時增加放緩。第二，在不同溫度下，在室溫、高溫時，內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，充放電的內部電阻也隨之升高。根據蓄電池的受熱機制，蓄電池的內部電阻和極化內阻均會增大，從而增大蓄電池的熱負載，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，根據環境溫度和放電效率曲線，結合以上研究結果，可以看出0～50℃應該是汽車鋰離子電池的合適熱管理設計溫度。

備注：本文系山東交通學院博士科研啟動資金資助項目（BS2018043）研究成果。

參考文獻：

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[2]武雅麗，伍川輝，于蘭英.電動汽車模塊化動力電池組的散熱分析[J].機械設計與制造，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]尹揚俊.電動汽車動力電池組火災預防及對策[J].今日消防，2021，6（05）：131-132.

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

[6]林金源，魏小紅.純電動汽車動力電池組液冷系統優化及冷卻性能分析[J].時代汽車，2020，（17）：103-104.

[7]王延寧.純電動汽車動力電池組液冷系統優化及冷卻性能研究[J].重慶理工大學學報（自然科學），2020，34（06）：83-89.

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

[9]王亮，韓旭，張明輝，王秀春.電動汽車動力電池組相變材料冷卻的數值模擬[J].河北工業大學學報，2019，48（01）：57-62.