朱蕾，荊海曉，喬雪，張軼，李靜

低溫條件下鋰離子電池電、熱性能研究

朱蕾1，荊海曉2，喬雪1，張軼1，李靜1

（1.陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710200；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710000）

鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在低溫條件下能量密度和功率密度降低，影響車輛的動(dòng)力性能和續(xù)航里程。針對此問題，文章選定電池供應(yīng)商提供的鋰離子電池模塊，根據(jù)目前國標(biāo)和實(shí)際工況對電池系統(tǒng)的要求，采用試驗(yàn)的方法得到了電池模塊表面溫度隨不同環(huán)境溫度、不同充放電狀態(tài)以及行駛工況下的變化規(guī)律。結(jié)果表明，隨著環(huán)境溫度的下降，放電平臺、放電容量都會(huì)變小，而溫升會(huì)變大；在低溫狀態(tài)下放電平臺會(huì)經(jīng)歷一個(gè)“波谷”階段；為了保證低溫下電池的正常使用，必須對電池進(jìn)行熱管理設(shè)計(jì)。本文研究結(jié)果可為動(dòng)力電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱管理設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

動(dòng)力電池；低溫；溫升；低溫放電

前言

動(dòng)力電池系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵子系統(tǒng)，其性能的發(fā)揮直接影響電動(dòng)汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性。在動(dòng)力電池的使用過程中連續(xù)的充放電都會(huì)對電池溫度產(chǎn)生影響，過高或者過低的電池溫度會(huì)影響電池系統(tǒng)的性能、壽命以及安全。因此，鋰離子電池對溫度的適應(yīng)性成為制約其在電動(dòng)汽車應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一；同時(shí)電池?zé)峁芾沓蔀楸ＷC電池性能、使用壽命和安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

動(dòng)力電池最佳的使用溫度是15℃~45℃，實(shí)際使用溫度范圍為-30℃~60℃。在冬季運(yùn)行過程中，電動(dòng)汽車多出現(xiàn)續(xù)航里程下降的問題。這種情況產(chǎn)生的原因是冬季動(dòng)力電池系統(tǒng)本身的放電量比常溫狀態(tài)下的放電量要低，如果同時(shí)打開汽車空調(diào)，使得電動(dòng)車在冬季運(yùn)行情況下續(xù)航里程嚴(yán)重不足。動(dòng)力電池系統(tǒng)在低溫情況下，鋰離子本身的活性比較低，且電解液多處于固態(tài)或半凝固的狀態(tài)，當(dāng)鋰離子進(jìn)行遷移的過程中阻力較大，活性差導(dǎo)致放電性能變差[1-3]。

本文主要研究環(huán)境溫度和放電倍率對鋰電池電、熱性能的影響，分析鋰電池處于不同環(huán)境溫度下、不同放電倍率下的電壓平臺、溫度、容量變化以及某供應(yīng)商提供的電池模塊工況放電條件下電池性能的變化。

1 測試過程

1.1 試驗(yàn)對象

某電池模塊參數(shù)如表1所示。

表1 電池模塊技術(shù)參數(shù)

1.2 溫度采樣點(diǎn)布置

溫度采樣點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 溫度采樣點(diǎn)布置

1.3 試驗(yàn)用儀器及設(shè)備

表2 試驗(yàn)用儀器和設(shè)備

2 動(dòng)力電池低溫性能試驗(yàn)內(nèi)容

本試驗(yàn)測試方法為：選取環(huán)境溫度 25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃一共五個(gè)溫度點(diǎn)，分別進(jìn)行放電倍率為1C、0.3C、0.5C的放電測試。根據(jù)整車試驗(yàn)中采出實(shí)際工況路譜圖，將其轉(zhuǎn)化為工況電流，進(jìn)行25℃、0℃、-20℃環(huán)境溫度下的工況放電測試。記錄以上試驗(yàn)的溫度、容量、能量、電壓、電流等數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 放電平臺

在不同環(huán)境溫度下，電池的放電平臺隨著環(huán)境溫度的下降而下降。在-20℃時(shí)，放電的初期階段放電平臺會(huì)快速下降，達(dá)到一個(gè)“波谷”階段。這是由于在低溫狀態(tài)下，電解液處于凝固或者半凝固的狀態(tài)，電解液的導(dǎo)電率降低，放電平臺快速下降。隨著放電過程的進(jìn)行，放電平臺緩慢的上升到平臺期。這段期間因?yàn)殡S著放電過程的進(jìn)行，電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量融化了電解液，增加了電解液的導(dǎo)電率，降低了電子流動(dòng)阻力，使得放電平臺升高。達(dá)到正常的放電平臺后，放電趨勢與常溫下放電趨勢相同。雖然電池放電平臺趨勢相同，但是隨著環(huán)境溫度的降低，電壓平臺也是降低的。而且從圖2-圖5中可以看出，環(huán)境溫度越低，電壓平臺的“波谷”也越低。對比三種放電倍率可以看出0℃以上的放電平臺差異不大，0℃以下的放電平臺下降較多。且對比不同的環(huán)境溫度，環(huán)境溫度越低放電時(shí)間越短。

圖2 1C放電電壓平臺隨環(huán)境溫度變化

圖3 0.5C放電電壓平臺隨環(huán)境溫度變化

圖4 0.3C放電電壓平臺隨環(huán)境溫度變化

圖5 工況條件下，不同環(huán)境溫度下電壓變化

3.2 電池表面溫度

圖6、圖7對比了不同放電倍率、不同環(huán)境溫度下的溫差變化。在相同放電倍率下，環(huán)境溫度越低，溫升越大，如：在-20℃的環(huán)境溫度下，1C放電電池表面的平均溫升為35℃；在25℃的環(huán)境溫度下，1C放電電池表面的平均溫升為12℃。這也說明了在低溫狀態(tài)下，更多的能量用于電池升溫，輸出的能量變小。在相同環(huán)境溫度，放電倍率越低，電池表面的溫升越小，如：在-20℃的環(huán)境溫度下，0.5C放電電池表面的平均溫升為26℃；在-20℃的環(huán)境溫度下，0.3C放電電池表面的平均溫升為21℃。這說明在環(huán)境溫度較低時(shí)，應(yīng)該采用較小的電流進(jìn)行放電。這樣的效果一是保證電池能量的輸出效率；二是保證電池的使用壽命。

圖6 不同環(huán)境溫度、不同放電倍率下的溫差

圖7 工況條件下不同環(huán)境溫度電壓平臺和電池表面溫度變化

3.3 放電容量

從表3中可以看出，相同放電倍率下，隨著環(huán)境溫度的降低，放電容量在逐漸的下降。環(huán)境溫度-20℃下，以0.3C放電放出的能量最低，為25℃下的86%。放電倍率越小，環(huán)境溫度越低，放出的電量越小。環(huán)境溫度25℃下，0.3C放電的容量略高，其他溫度點(diǎn)都是1C放電的容量最高。

表3 電池在不同放電倍率下的容量變化

4 結(jié)論

電池在低溫環(huán)境下鋰離子本身活性比較低，電解液流動(dòng)阻力大，導(dǎo)電率降低，放電容量降低，影響純電動(dòng)汽車的工作。根據(jù)試驗(yàn)測試得到電池實(shí)際在不同環(huán)境溫度、不同放電倍率以及工況下的放電平臺和電池表面溫度變化。得到以下結(jié)論：

（1）放電平臺會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而降低，在環(huán)境溫度0℃以下時(shí)會(huì)出現(xiàn)“波谷”，在“波谷”之后放電平臺會(huì)緩慢上升，上升到一定程度后，放電平臺和常溫下放電平臺趨勢一致。

（2）隨著環(huán)境溫度的下降，放電時(shí)間越低，放出的電量越小。在同樣的溫度下，1C容量大于0.5C容量大于0.3C放電容量。

（3）隨著環(huán)境溫度的下降，溫升越大。在環(huán)境溫度-20℃的時(shí)候，1C放電階段電池溫升35℃，更多的能量用于電池升溫。放電容量減小。

（4）在測試的溫度點(diǎn)中，環(huán)境溫度-20℃，0.3C的放電容量最低。放電容量為25℃下的86%。

（5）工況放電中，環(huán)境溫度-20℃時(shí)，電池使用處于0℃以下，這種使用工況對電池的壽命影響極大，建議在低溫狀態(tài)下對電池系統(tǒng)進(jìn)行保溫、加熱等處理。

[1] 霍宇濤,饒中浩,劉新健,等.基于液體介質(zhì)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硌芯窟M(jìn)展[J].新能源進(jìn)展,2014,2(2):135-140.

[2] 張國慶,馬莉,張海燕.HEV電池的產(chǎn)熱行為及電池?zé)峁芾砑夹g(shù)[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,25(1):1-4.

[3] Xun J, Liu R, Jiao K. Numerical and analytical modelingof lithium ion battery thermal behaviors with differentcooling designs[J]. Jour -nal of Power Sources, 2013, 233:47-61.

Study on Electrical and Thermal Properties of Lithium-ion Batteries at Low Temperature

Zhu Lei1, Jing Haixiao2, Qiao Xue1, Zhang Yi1, Li Jing1

（1.Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200; 2.Xi’an University of Technology, Shaanxi Xi’an 710200）

Under low temperature conditions the energy density and power density of the lithium-ion power battery system will be reduced, which affects the vehicle's dynamic performance and cruising range. In response to this problem, a lithium-ion battery module provided by the battery supplier is selected in this study. According to the current national standard and actual working conditions for the battery system, the surface temperature of the battery module is obtained for different ambient temperature, different discharge state and driving conditions. The results show that as the ambient temperature decreases, the discharge platform and discharge capacity will become smaller, and the temperature rise will become larger; in the low temperature state, the discharge platform will experience a "valley" stage. In order to ensure the normal use of the battery at low temperatures, thermal management of the battery is necessary. The research results in this paper can provide technical support for structural design and thermal management design of power battery systems.

Battery; Low temperature; Temperature raise; Low temperature discharge

U469.7

A

1671-7988(2019)18-42-03

U469.7

A

1671-7988(2019)18-42-03

朱蕾（1986.1-），女，工程師，就職于陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，從事新能源動(dòng)力電池系統(tǒng)熱管理相關(guān)的仿真和測試工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.015