隋 鑫，盧北虎，余 帆

應用研究

某鋰電池模組不同工況放電性能研究

隋 鑫，盧北虎，余 帆

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

某鋰電池模組以不同工況進行放電測試，通過測量放電過程中溫度變化及放電容量，對該鋰電池模組不同倍率、不同功率下的放電性能進行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該鋰電池模組3 C放電最高溫度達到63.1℃，0.2C放電最高溫度31.7℃，3 C放電容量為0.2 C放電容量的97.3%，表明隨著放電倍率的增大，電池模組的溫度上升，放電容量下降；該鋰電池模組5000 W放電最高溫度達到56.3℃，500 W放電最高溫度30℃，5000 W放電容量為500 W放電容量98.4%，表明隨著放電功率的增大電池模組的放電容量下降。說明，鋰電池以不同倍率、不同功率放電會產(chǎn)生不同溫度，不同的溫度對鋰電池放電性能有重要影響。因此維持在合理的工作溫度對鋰電池放電性能很關鍵，本文通過鋰電池模組不同工況放電性能研究，為該電池模組后期裝備熱管理設計提供試驗支撐。

鋰電池模組 不同倍率 不同功率 溫度 放電性能 熱管理設計

0 引言

我國汽車數(shù)量不斷增加，能源消耗越來越大，同時造成嚴重的污染環(huán)境。由此，發(fā)展電動汽車開始受到重視[1]，動力電池作為電動汽車的動力源，其性能制約著整個電動汽車行業(yè)的發(fā)展。動力電池的工作溫度直接影響其壽命及性能，成組后的鋰電池模組體積緊湊，比能量大，正常放電時產(chǎn)生大量的熱量聚集，一旦超過電池設計工作溫度，就會影響其安全性和可靠性[2]。

鋰電池的工作溫度對放電性能及安全性能有很大的影響[3]。其循環(huán)壽命主要與工作溫度相關，較少受循環(huán)次數(shù)的影響[4]，因此許多科研工作者致力于對鋰電池熱管理的研究[5-7]，使鋰電池在不同工況下都能保證在最佳工作溫度范圍內(nèi)放電，這樣其工作性能及壽命都能達到最佳效果[8]。本文主要是針對某型鋰電池模組不同工況放電性能，為探討該模組后期裝備使用是否需要進行熱管理設計而進行的前期試驗[9]。

1 試驗

1.1 試驗準備

本研究采用的是額定能量為1.8 kWh的鋰離子電池模組，模組額定電壓75.6 V，充放電截止電壓范圍為52.5～88.2 V。該模組由168只3.6V3Ah的18650圓柱電池通過8并21串組成。電池模組的組成及效果圖如圖1所示。

圖1 電池模組（8P21S）組成及效果圖

試驗前在電池模組上布置4個溫度探頭，試驗過程中用數(shù)據(jù)采集儀實時采集模組溫度。溫度探頭布置示意圖如圖2：

圖2 電池模組溫度探頭布置示意圖（數(shù)字代表溫度探頭）

1.2 試驗方法

1）常溫不同倍率恒電流放電

①初始充放電：在25℃±2℃條件下，將電池模組以標準充放電電流0.5 C（即12 A）進行放電，模組電壓達到52.5 V停止放電。靜置30 min，然后在25℃±2℃條件下，以0.5 C（即12 A）電流對模組進行充電，模組電壓達到88.2 V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C（即1.2 A）電流時停止充電。充電后靜置30 min。

②不同倍率放電：電池模組在25℃±2℃條件下，分別以0.2 C、0.5 C、1 C、3 C放電，至電壓達到52.5 V時停止放電；靜置30 min后，以0.5 C電流充電，至電壓達到88.2 V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C電流時停止充電，靜置30 min。

2）常溫不同功率恒功率放電

①初始充放電：在25℃±2℃條件下，將電池模組以標準充放電電流0.5 C（即12 A）進行放電，模組電壓達到52.5 V停止放電，靜置30 min，然后在25℃±2℃條件下，以0.5 C（即12 A）電流對模組進行充電，模組電壓達到88.2 V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C（即1.2 A）電流時停止充電。充電后靜置30 min。

②不同功率放電：電池模組在25℃±2℃條件下，分別以500 W、1500 W、3000 W、5000 W功率放電，至電壓達到52.5 V時停止放電；靜置30 min后，以0.5 C電流充電，至電壓達到88.2 V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C電流時停止充電，靜置30 min。

圖6給出了模擬電弧故障的過程，當電弧再次發(fā)生時，文獻[13]中的初級電弧模型開始生效并產(chǎn)生初級電弧特性。在每個時間步長下，通過求解電弧方程可以得到電弧電導率，而電弧電導率的倒數(shù)則通過TACS轉(zhuǎn)化為時變電弧電導。次級電弧是一種受多種因素的影響高度復雜現(xiàn)象，在斷路器打開后，利用文獻[14]中基于具有重燃電壓特性的反向并聯(lián)雙二極管電路的仿真技術對次級電弧進行仿真。通過EMTP線路常數(shù)程序計算線路參數(shù)，同步電機（SM）和TACS用于核電站的調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)[15]，在750 kV架空輸電線路系統(tǒng)的雙回路中線路1上產(chǎn)生故障，如圖7所示。

2 結(jié)果與討論

由圖2所示，1號溫度測試點與4號溫度測試點對稱分布，兩點測量溫度一致，因此分析結(jié)果只分析2、3、4溫度測試點。

1）常溫不同倍率下恒電流放電

①0.2C放電

圖3 0.2 C放電時電壓，溫度隨時間變化曲線圖

表1 0.2 C放電時溫度變化

圖3是電池模組0.2 C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以0.2 C恒流放電至52.5 V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。分別對2號（電池模組中心）、3號（電池模組中心與正極兩者之間）、4號（正極）的溫度進行了探測，各溫度探測點的溫度情況如表1所示。由于電池模組放電倍率小產(chǎn)生的熱量較少以及與外界空氣的熱交換散熱使得溫度隨時間變化的曲線波動較大，開始測試時電池模組的溫度在30℃左右，電池模組此時是散熱大于自身放電時產(chǎn)熱，因此溫度先下降至26.8℃左右再上升。最終溫升為2號﹥4號﹥3號，電池模組中心溫度溫升最高，由最低溫26.5℃上升至最高溫31.7℃，溫升為5.2℃。小倍率放電時3個溫度測試點之間的溫度相差很小，因為產(chǎn)生熱量少并且測試點均布置在電池模組的連接排上，連接排具有良好的導熱性能迅速將熱量傳遞至各處。

②0.5 C放電

圖4 0.5 C放電時電壓隨時間變化曲線圖

表2 0.5 C放電時溫度變化

圖4是電池模組0.5 C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以0.5 C恒流放電至52.5 V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)先慢后快的上升趨勢，探測點處的溫度數(shù)值接近。各溫度探測點的溫度情況如表3所示，溫升為2﹥4﹥3，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度26.6℃上升至最高溫35.9℃，溫升為9.3℃。電池模組中心處堆疊緊密，熱量容易聚集，與外界交換熱量困難故此處的溫度最高。0.5 C恒流放電的最高溫以及溫升均大于0.2 C放電時的溫度數(shù)值。

③1C放電

表3 1 C放電時溫度變化

圖5是電池模組1 C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖。電池模組以1 C恒流放電至52.5 V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢。各溫度探測點的溫度情況如表4所示，溫升為2﹥4﹥3，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度30.5℃上升至最高溫44℃，溫升為13.5℃。

圖5 1 C放電時電壓隨時間變化曲線圖

圖6 3 C放電時電壓隨時間變化曲線圖

表4 3C放電時溫度變化

圖6是電池模組3C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以3C恒流放電至52.5V停止。放電過程中電壓下降，電池模組的溫度迅速上升，放電倍率越大，所有探測點的溫升速度提升的也越明顯。各溫度探測點的溫度情況如表6所示，溫升為3號﹥2號﹥4號，電池模組中心與正極之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫63.1℃，溫升為36.7℃。相比較小倍率放電電池模組的溫度明顯增加，放電結(jié)束時電池模組中心與正極兩者之間的溫度最高，可能是因為此時電池模組內(nèi)部的熱量傳遞方式發(fā)生了變化，中心處產(chǎn)生熱量并向兩邊擴散，正極處產(chǎn)生熱量向四周擴散，3號測試點位置位于兩者之間熱量聚集較多故溫度高。大倍率3 C放電與1 C放電時的溫度上升趨勢不同，可能是因為電流大時間短，熱量產(chǎn)生并擴散與小倍率放電時的方式與原理不同所導致的。充放電電流強度越大，電池模組內(nèi)部會迅速產(chǎn)生大量熱量，溫度越高，溫差也越大。當放電電流為3C時其最高溫達到63.1℃，電池模組的正常溫度使用范圍為-20℃～75℃，若超過75℃需要采取一定的降溫措施，避免電池模組發(fā)生損壞，對其性能造成影響。

⑤不同倍率放電

圖7 不同倍率恒流放電時電壓容量曲線圖

表5 不同倍率恒流放電的電性能對比

圖7為不同倍率恒流放電時電池模組的電壓容量曲線圖，表5為不同倍率恒流放電時的電性能數(shù)據(jù)。隨著放電倍率的增大，電池模組的開始電壓降低，放電容量與放電能量均下降。當放電電流為0.2C時放電容量為22.627 Ah，當放電電流為3C時電池模組的放電容量降低至22.016 Ah。因為大電流下電池的容量會發(fā)生衰減，故隨著放電倍率的增大，電池模組的溫度上升，放電容量下降。這一現(xiàn)象與孫順等人[10]的研究結(jié)果一致。電池負極性能與表面SEI膜的關系很大，不同溫度導致SEI膜成分不同，溫度越高，負極表面SEI膜的破壞與修復速度越快，同時伴隨著活性鋰的消耗。不僅如此，溫度越高，電池正極材料越不穩(wěn)定，正極材料結(jié)構(gòu)會發(fā)生衰退現(xiàn)象導致材料性能降低，從而使放電容量下降。

2）常溫不同功率恒功率放電

①500 W放電

圖8是電池模組500 W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以500 W恒功率放電至電壓為52.5 V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且各處溫度曲線相近。各溫度探測點的溫度情況如表6所示，3個探測點的溫度變化基本一致，因為小功率放電產(chǎn)生熱量少，模組上的連接排能迅速傳遞熱量使得連接排上溫度較為均勻，故溫度變化較為一致。

圖8 500 W放電時電壓隨時間變化曲線圖

表6 500 W放電時溫度變化

②1500 W放電

圖9 1500 W放電時電壓隨時間變化曲線圖

表7 1500 W放電時溫度變化

圖9是電池模組1500 W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以1500 W恒功率放電至電壓為52.5 V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且各處溫度曲線相近。各溫度探測點的溫度情況如表7所示，溫升為2﹥3﹥4，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度24.4℃上升至最高溫36℃，溫升為11.6℃，高于500W放電時的溫升。

③3000W放電

圖10 3000 W放電時電壓隨時間變化曲線圖

表8 3000 W放電時溫度變化

圖10是電池模組3000 W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以3000 W恒功率放電至電壓為52.5 V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢，溫度隨放電時間近似線性變化。各溫度探測點的溫度情況如表8所示，溫升為3號﹥2號﹥4號，電池模組中心與正極之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫47.7℃，溫升為21.3℃。

④5000 W放電

圖11 5000 W放電時電壓隨時間變化曲線圖

圖11是電池模組5000 W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以5000 W恒功率放電至電壓為52.5 V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且上升速率快，溫度隨放電時間近似線性變化。各溫度探測點的溫度情況如表9所示，溫升為3號﹥2號﹥4號，電池模組中心與正極兩者之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫56.3℃，溫升為31.7℃。隨著放電功率的增大，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量增多，電池模組的溫度越高，溫差越大。

表9 5000 W放電時溫度變化

⑤不同功率放電

圖12 不同功率放電時電壓容量曲線圖

表10 不同功率放電的電性能對比

圖12為不同功率放電時電池模組的電壓容量曲線圖，表10為不同功率放電時的電性能數(shù)據(jù)。隨著功率的增大，電池模組的開始電壓降低，放電容量與放電能量下降，當放電功率為500 W時放電容量為21.88 Ah，當放電功率為5000 W時電池模組的放電容量降低至21.546 Ah，隨著放電功率的增大電池模組的放電容量下降。研究認為[11]，高功率放電導致電池溫升很大，極大影響負極表面SEI膜穩(wěn)定性，過多的消耗了可正常脫嵌的活性鋰離子，導致容量下降。

3 結(jié)論

某型鋰電池模組在3 C放電時，最高溫度已達到63. 1℃，在5000 W放電時，最高溫度達56.3℃，均已達到模組的最佳工作溫度上限。隨著測試溫度的升高，放電性能逐漸降低。綜上所述可以得出結(jié)論，鋰電池模組在合理的溫度區(qū)間有利于其電性能的保持。

下一步在該型鋰電池模組設計增加散熱方式，如氣體冷卻、液體冷卻及相變材料冷卻方法，保證電池模組在更大倍率、更大功率工作時處于合理的環(huán)境溫度，以滿足裝備使用的需求。

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Research on Discharge Performance of a Lithium Battery Module under Several Working Conditions

Sui Xin，Lu Beihu，Yu Fan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China)

TM912

A

1003-4862(2021)02-0021-06

2020-06-15

隋鑫（1987-），男，工程師。研究方向：鋰離子電池。E-mail: 17702728669@163.com