任　杰，李建祥，于　航，黃德旭，曹際娜

(1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266000；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250101)

鋰離子電池溫度特性的研究

任杰1，李建祥2，于航3，黃德旭3，曹際娜3

(1.國網(wǎng)山東省電力公司青島供電公司，山東青島266000；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250014；3.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250101)

動(dòng)力蓄電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，是提高整車性能和降低成本的關(guān)鍵一環(huán)，其溫度特性直接影響電動(dòng)汽車的性能、壽命和耐久性。針對鋰離子電池在低溫環(huán)境下放電容量低及單體之間溫度不均勻的問題，合理設(shè)計(jì)了電池包結(jié)構(gòu)，選擇合適的熱管理方式，保證電池包內(nèi)各個(gè)單電池工作在合理溫度范圍內(nèi)的同時(shí)盡量維持包內(nèi)各個(gè)電池及電池模塊間的溫度均勻性。

鋰離子電池；溫度；熱管理

電池作為電動(dòng)汽車中的主要儲(chǔ)能元件，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響電動(dòng)汽車的性能[1-2]。目前全球電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)還處于發(fā)展初期，存在鋰離子電池技術(shù)不夠成熟、續(xù)駛里程有限、能源補(bǔ)給時(shí)間較長等問題，一定程度上限制了電動(dòng)汽車的大規(guī)模推廣應(yīng)用。同時(shí)動(dòng)力電池在使用過程中,需要連續(xù)放電和定時(shí)充電,在充放電過程中電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,引起電池溫度的變化,而電池溫度的變化又將直接影響電池的充放電性能。因此，充分了解電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充放電特性，認(rèn)識(shí)鋰離子電池運(yùn)行機(jī)理和影響因素是十分重要的。

本文主要根據(jù)溫度對鋰離子電池充放電性能的影響，分析了鋰離子電池處于低溫環(huán)境下充放電溫升情況以及鋰離子電池組各個(gè)模塊之間溫差對電池性能的影響，采取了適當(dāng)?shù)拇胧﹣斫鉀Q溫度這一影響因素，改善鋰離子電池的運(yùn)行性能，使其充分發(fā)揮優(yōu)點(diǎn)，安全運(yùn)行。

1　低溫對電池特性的影響

正常工作條件下，鋰離子電池在不斷產(chǎn)生并散發(fā)熱量，使得電池溫度有一定升高。電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要是由兩大部分組成[3]：電流流過電池內(nèi)部時(shí)電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量和電池工作過程中因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。電池內(nèi)阻在整個(gè)電池充放電過程中產(chǎn)生的熱量始終都為正值。電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)既可能是吸熱反應(yīng)，也可能是放熱反應(yīng)。

環(huán)境溫度是電池?zé)崽匦缘闹饕绊懸蛩兀?0 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池分別處于不同環(huán)境中用1C電流放電時(shí)，放電過程中電池溫升與環(huán)境關(guān)系見表1。從表中可知，環(huán)境溫度越低，放電結(jié)束后電池的溫升越大，這主要是因?yàn)榄h(huán)境溫度越低，電解液的導(dǎo)電性越差，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率降低，濃差極化和電化學(xué)極化的程度增大，極化內(nèi)阻就越大。同時(shí)，隨著溫度的降低，電池總內(nèi)阻增加，電池發(fā)熱量增大，電池溫升幅度增大。

表1　不同環(huán)境溫度下的電池溫升表

試驗(yàn)采用萬向60 Ah單體磷酸鐵鋰軟包電池，具體見圖1，其充放電曲線見圖2(1C充放電電流)。從圖上可以看出，單體電池容量約為64 Ah，略大于標(biāo)稱容量60 Ah，電池放電電壓平臺(tái)為3.2 V，而電池充電電壓平臺(tái)約3.4 V左右。

在不同溫度下，電池放電容量不同，不同溫度下的放電曲線如圖3所示。從圖上可以明顯地看出，電池容量隨溫度的降低而降低，電池在0℃下進(jìn)行放電測試，容量下降大約為常溫容量的90%，而當(dāng)溫度繼續(xù)降低，在－20℃下放電時(shí)，容量下降為常溫容量的64%。在55℃高溫下，電池容量基本與常溫容量保持一致。

圖1　動(dòng)力電池單體

圖2　單體動(dòng)力電池充放電曲線

圖3　不同溫度下單體電池放電曲線

鋰離子電池組作為電動(dòng)汽車主要的儲(chǔ)能裝置，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響電動(dòng)汽車的性能。由于車輛上空間有限，電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中電池組產(chǎn)生的大量熱量受空間影響而積累，造成各處溫度不均勻，從而影響電池單體一致性，因此將降低充放電循環(huán)效率，影響電池功率和能量發(fā)揮，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致電池?zé)崾Э?，引發(fā)安全事故[4]。

2　采取的熱管理措施

針對鋰離子電池在低溫環(huán)境下放電容量低，以及電池組各單體之間存在溫差影響電池性能這些問題，為了使電池組發(fā)揮最佳的性能和壽命，需要優(yōu)化電池包的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)電池包熱管理系統(tǒng)。在電池打包設(shè)計(jì)及進(jìn)行pack裝配過程中，兩片電池中間裝有導(dǎo)熱片，如圖4所示。導(dǎo)熱片的主要作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面將電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到電池表面，積極將熱量進(jìn)行散發(fā)，并均衡電池間溫度；另一方面是在冬季低溫時(shí)將電池表面加熱器的熱量傳遞給電芯，同時(shí)保證電芯表面溫度均一。

圖4　導(dǎo)熱片

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的放電容量隨著溫度的降低而降低，當(dāng)電池在-10℃放電時(shí)，電池容量大約下降20%。同時(shí)為了保障電池安全，要求環(huán)境溫度必須在0℃以上才進(jìn)行電池充電。為了保證電動(dòng)汽車在冬季的正常運(yùn)營，在充換電站的每套動(dòng)力電池上都裝配一套加熱裝置來保證電池在0℃以上溫度工作。

電池箱內(nèi)每個(gè)電池模塊都裝配一個(gè)加熱器(見圖5)，所采用的加熱器是一種PTC材料[5]，固定在電池模塊的側(cè)面與導(dǎo)熱鋁片貼合利用，可以通過導(dǎo)熱鋁片把熱量傳導(dǎo)給每個(gè)電芯，并且保證電芯熱量均一。

圖5　動(dòng)力電池模塊加熱片裝配前(左)后(右)

所采用的加熱器具有當(dāng)超過一定的溫度時(shí),電阻值隨著溫度的升高呈階躍性增高的特點(diǎn)，具有恒溫發(fā)熱、無明火、熱轉(zhuǎn)換率高、受電源電壓影響極小、自然壽命長等優(yōu)勢。當(dāng)電池溫度低于0℃時(shí)啟動(dòng)加熱，保證電池溫度不低于0℃，并可以持續(xù)約1℃/h升溫。每箱電池開啟后的平均功率約150 W左右，即使夜晚室外溫度一直低于0℃，9箱電池在夜晚10 h內(nèi)耗電量約為14度電，約占整個(gè)電池總?cè)萘康?0%。

電池箱在－10℃低溫環(huán)境下測試曲線如圖6所示。從圖上明顯可以看到，動(dòng)力電池組大約需要8個(gè)小時(shí)從24℃降到0℃，在0℃時(shí)，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)工作，因?yàn)榧訜嵯到y(tǒng)電源取自電池本身，所以總電壓開始下降，5℃時(shí)停止加熱。

3　熱管理措施效應(yīng)分析

加入導(dǎo)熱片的電芯表面熱分布圖如圖7所示，通過導(dǎo)熱片的熱傳導(dǎo)，電芯表面溫度差異小于1.5℃。

裝配有加熱裝置的動(dòng)力電池組在不同溫度進(jìn)行充放電，放電電流0.3C，其放電容量曲線如圖8所示。由圖可知，室溫下，電池系統(tǒng)放電容量最高，接近電池標(biāo)稱容量300 Ah，45℃時(shí)放電容量稍有降低，約為室溫容量的98.8%。當(dāng)溫度降至0℃時(shí)，加熱系統(tǒng)開啟，其放電容量為室溫容量的97%，隨著溫度繼續(xù)降低，在－20℃時(shí)，電池系統(tǒng)放電容量仍為初始容量的90%以上。對比不加載加熱裝置的單體電池在不同溫度的容量圖(圖4)我們可知，加熱系統(tǒng)的開啟，可以大幅度提高低溫條件下電池容量，而加熱系統(tǒng)本身耗電量較小，0℃條件下整個(gè)放電周期內(nèi)耗電量小于3%，－20℃條件下耗電量小于10%。

圖6?。?0℃低溫測試曲線

圖7　加入導(dǎo)熱片的電芯表面熱分布圖

圖8　電源系統(tǒng)不同溫度放電容量

4　小結(jié)

鋰離子電池組作為電動(dòng)汽車主要的儲(chǔ)能裝置，是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，直接影響電動(dòng)汽車的性能。經(jīng)過上面的分析驗(yàn)證，可以知道鋰離子電池的性能受環(huán)境溫度的影響較大,在低溫時(shí)放電容量減小，影響其在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用，為此需要采取相應(yīng)的熱管理措施，使其能量得到充分的利用。把動(dòng)力電池研究與電動(dòng)汽車運(yùn)營實(shí)踐相結(jié)合，一方面促進(jìn)電池研究更加深入，切近產(chǎn)業(yè)實(shí)際，著力于解決實(shí)際運(yùn)營中出現(xiàn)的一些問題；另一方面能促進(jìn)研究結(jié)果向產(chǎn)業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，極大地推動(dòng)電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池及充換電設(shè)施的技術(shù)革新。

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Study of lithium-ion battery temperature characteristics

REN Jie1,LI Jian-xiang2,YU Hang3,HUANG De-xu3,CAO Ji-na3
(1.State Grid Qingdao Power Supply Company,Qingdao Shandong 266000,China;2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan Shandong 250014,China;3.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250101,China)

As a power source of pure electric vehicles,power battery is the key to improve vehicle performance and reduce the cost,and the temperature characteristics affect the electric vehicle performance,longevity and durability directly.Because the lithium-ion battery discharges the low capacity at low temperature and has uneven temperatures between cells,the battery pack structure was designed rationally;the appropriate thermal management was selected to ensure each single cell in the battery pack work within a reasonable temperature range and try to maintain temperature uniformity within each battery packs and battery modules.

lithium-ion batteries;temperature;thermal management

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1929-02

2016-03-15

任杰(1985—)，男，山東省人，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)。