電傳動車輛用鋰離子電池組低溫加熱方法研究

雷治國，張承寧，雷學(xué)國，李軍求

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福州350002；2.北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室，北京10081；3.福建萬潤新能源科技有限公司，福州350100）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．95中圖分類號：TM 912.1文獻標志碼：A

電傳動車輛用鋰離子電池組低溫加熱方法研究

雷治國1，張承寧2，雷學(xué)國3，李軍求2

（1.福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院，福州350002；2.北京理工大學(xué)電動車輛國家工程實驗室，北京10081；3.福建萬潤新能源科技有限公司，福州350100）

為提高電動車輛用鋰離子動力電池的低溫充放電性能，以35 Ah錳酸鋰電池為研究對象，研究了低溫下電池充放電特性，并采用寬線金屬膜加熱方法對-40℃下的電池組進行加熱和充放電實驗。實驗結(jié)果表明：低溫下電池的充放電性能大幅衰減，采用寬線金屬膜加熱方式能夠顯著提升電池的低溫充放電性能；加熱后，電池組可進行大電流充放電，可以滿足電動車輛的行駛要求。

鋰離子電池；充放電特性；低溫性能；電動車輛；加熱方法

Project Supported by the National Defense Preresearch Project（104010108）；Natural Science Foundation of Fujian Province Project（2014J01173）；Department Education of Fujian Province Project（JA12100）.

引言

近年來電動車輛發(fā)展迅猛，由于電動車輛所特有的一些優(yōu)點，各國針對電動車輛各個方面開展深入研究工作，并取得了豐碩的成果。動力電池作為電動車輛的關(guān)鍵部件，在技術(shù)上也得到了快速發(fā)展。電動車輛的性能和成本受動力電池的性能和壽命影響較為顯著。

鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和超級電容是目前電動車輛上較為常見的動力電池［1］，其中，鋰離子動力電池因壽命長、自放電率低、比功率高、能量密度大和無污染等優(yōu)點，逐漸替代鉛酸電池、鎳氫電池和鎳鎘電池，成為電動車輛主要使用的動力電池［2，3］。雖然鋰離子電池具有較為顯著的優(yōu)點，但是鋰離子電池的低溫性能仍是一個不容忽視的問題，目前已引起廣泛關(guān)注。低溫環(huán)境中，鋰離子動力電池的充放電性能下降顯著，鋰離子動力電池的相關(guān)制造企業(yè)和科研人員已對鋰離子動力電池的低溫充放電性能展開大量研究工作。研究結(jié)果表明：鋰離子動力電池的低溫性能是由于鋰離子在電極中的擴散、表面電荷傳遞阻抗和SEI膜等因素造成［4-7］，但未確定影響低溫性能的主要因素。

按照目前動力電池的制造現(xiàn)狀，從材料本身改善鋰離子電池低溫性能難度較大，因此采用輔助手段提高電池的低溫性能成為較為可行的研究方向。同時，交流電加熱法［8-10］、帕爾貼加熱法［11-13］、流體加熱法［14］和加熱板加熱法［15］等算法已被提出。由于電動車輛逐步廣泛使用，一些電動車輛經(jīng)常需要在寒區(qū)工作，特別是一些軍用車輛，要求在-40℃情況下能夠正常工作，然而，低溫環(huán)境中，動力電池的充放電性能衰減顯著［16-18］，如果動力電池的低溫性能無法得到提高，電動車輛將無法在寒區(qū)正常工作。

本文針對8×8輪式電動車輛用方形35 Ah、3.7 V錳酸鋰動力電池20℃～-40℃低溫下充放電性能進行了研究，根據(jù)此電動車輛行駛工況的特殊性采用寬線金屬膜對動力電池組進行加熱，通過實驗證明此加熱方法能夠顯著提高電池組低溫性能［19-22］。

1　鋰離子動力電池測試平臺

鋰離子動力電池測試平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。鋰離子動力電池的充放電設(shè)備分別為廣州擎天實業(yè)有限公司開發(fā)的HT-V5C200D200-4和德國Digatron公司針對電動車輛電池組測試而開發(fā)的EVT500-500。HT-V5C200D200-4是針對電池單體測試開發(fā)的電池充放電設(shè)備，最高電壓為5 V，測試精度可達0.1 mV；Digatron的EVT500-500用于電池組的測試，其最大充放電電流可達500 A，最高電壓為500 V。溫箱的作用是模擬不同的環(huán)境溫度，測試過程中，動力電池將被放置在溫箱中。電化學(xué)工作站是德國Zahner公司生產(chǎn)，其作用是測量鋰離子動力電池在固定頻率下的阻抗值和不同頻率的交流阻抗，電化學(xué)工作站測量的交流振幅為1 mV～1 V，頻率范圍是10×10-6～4 MHz，頻率精度為＜0.002 5%。在充放電過程中，電池表面和極耳的溫度變化通過溫度傳感器測量。測試中所使用的鋰離子動力電池為軟包（30 cm×16.8 cm×1.5 cm）35 Ah能量功率兼顧型錳酸鋰電池，電池的電解液為LiPF6鋰鹽溶液、負極材料為人造石墨、正極材料為尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4材料、外殼為鋁塑膜。

圖1　動力電池測試平臺Fig.1 Test platform of power battery

2　動力電池低溫放電性能

圖2　不同溫度下10 A恒流放電曲線Fig.2 Discharge curves of constant-current 10 A at various temperatures

為研究動力電池的低溫放電性能，將電池靜置在設(shè)定的低溫環(huán)境中進行恒流放電。首先，動力電池在常溫下以1/3C倍率進行恒流-恒壓充電，充滿后靜置在溫箱中，靜置5 h后以某一倍率進行恒流放電，截止電壓3 V，靜置5 h的依據(jù)可參考文獻［20］。在0℃～-40℃范圍內(nèi)，以10 A、35 A進行恒流放電，放電曲線如圖2、圖3所示。從圖中可以看出，隨著溫度的降低，電池的放電電壓和放電容量都在明顯下降。

圖3　不同溫度下35 A恒流放電曲線Fig.3 Discharge curves of constant-current 35 A at various temperatures

3　動力電池低溫充電性能

圖4　不同溫度下10 A恒流恒壓充電曲線Fig.4 Charge curves of constant-current constant-voltage 10 A at various temperatures

為研究動力電池的低溫充電性能。將電池放置在設(shè)定的環(huán)境溫度中進行恒流-恒壓充電。首先，動力電池在常溫下以1/3C倍率進行恒流放電，截止電壓3 V，放電結(jié)束后將動力電池靜置在溫箱中，靜置5 h后以某一倍率進行恒流-恒壓充電。10 A、 35 A恒流-恒壓充電曲線如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，0℃以下，動力電池基本無法進行正常充電，隨著溫度降低，在充電電流相同時，恒流充電階段，充電電壓大幅提升，特別是大電流充電時，在0℃以下，已沒有恒流充電過程，充電電流加載時，電池端電壓瞬間升高至截止電壓，直接進入恒壓充電過程。

圖5　不同溫度下35 A恒流恒壓充電曲線Fig.5 Charge curves of constant-current constant-voltage 35 A at various temperatures

4　寬線金屬膜加熱法

通過動力電池的低溫實驗研究可知：低溫環(huán)境下，電池內(nèi)阻大幅增加，充放電性能大幅度下降。在低溫環(huán)境下運行的電動車輛，其性能將被電池低溫性能制約，尤其是對于需要頻繁行駛在環(huán)境溫度變化比較大的特殊電動車輛。本文根據(jù)8×8輪式電動車輛行駛工況惡劣以及對可靠性要求高的特點，采用寬線金屬膜加熱法，對低溫環(huán)境下的動力電池進行加熱。寬線金屬膜加裝在電池表面積最大的兩個側(cè)面上。寬線金屬膜采用FR4板材或是鋁基板，厚度1 mm，板材兩側(cè)面上覆上銅膜，厚度0.03 mm。寬線金屬膜的一面為完整矩形平面銅膜；另外一面是由具有一定寬度、連續(xù)的銅線組成的銅膜，兩銅膜的表面覆上耐磨絕緣層。銅線具有電阻，當電流通過銅線時，銅線會生熱，產(chǎn)生的熱量通過另一側(cè)的銅膜平面可均勻地傳給電池，實現(xiàn)對電池加熱的目的。寬線金屬膜加熱法的裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，可靠性高。由于動力電池組中電池單體是緊密排列在一起，而每片寬線金屬膜的厚度只有1～2 mm，將寬線金屬膜直接夾在兩塊電池單體之間即可，不需要對電池箱的結(jié)構(gòu)進行大的改動，可大幅降低加熱能耗，因此，寬線金屬膜加熱法在方形動力電池上可以容易地實現(xiàn)安裝和使用。

5　低溫加熱實驗研究

為研究低溫環(huán)境下采用寬線金屬膜加熱對電池放電性能恢復(fù)的實際效果，現(xiàn)將3塊35 Ah錳酸鋰電池單體串聯(lián)組成動力電池組，每塊電池單體面積最大的兩側(cè)面貼上寬線金屬膜，3塊電池疊壓在一起，如圖6所示。為了使加熱實驗與車輛動力電池組的實際情況相符，將3塊安裝了寬線金屬膜的電池組裝入電池箱，如圖7所示，電池箱被放置在溫箱中，溫箱的溫度保持在-40℃。由于電池箱具有一定的保溫效果，所以靜置時間由5 h延長至8 h，靜置結(jié)束后，將寬線金屬膜接通電源對電池組進行加熱。

圖6　3塊串聯(lián)電池單體Fig.6 Three batteries series

圖7　動力電池組電池箱Fig.7 Power batteries box

5.1加熱15 min后電池組1C恒流放電性能

采用240 W、120 W和90 W功率加熱電池組15 min后，電池組1C恒流放電曲線如圖8所示。從圖中可以看出，隨著加熱功率增大，初期和中期放電電壓有較大差異，240 W功率加熱后電池組放電電壓比90 W加熱后平均高出0.53 V，最大壓差1.38 V。值得注意的是，加熱功率的大小對電池放電容量影響較小，90 W功率加熱后電池的放電容量為30.547 Ah，240 W功率加熱后電池的放電容量為30.997 Ah，只相差0.45 Ah。這說明加熱時間相同時，增加加熱功率，能夠提高電池組的放電電壓，增大電池組的放電功率，但是對電池放電容量的提升較小。

圖8　不同功率加熱15 min電池組1C恒流放電曲線Fig.8 Discharge curves of 1C power batteries constantcurrent with different powers heated for 15 minutes

圖9給出了3種不同功率加熱15 min后電池組1C恒流放電曲線，同時也給出在低溫下電池單體未加熱的1C恒流放電曲線。電池組由3塊電池單體組成，放電過程中，3塊電池單體的放電電壓并不完全相同，為了與電池單體進行比較，電池組的放電電壓取3塊電池電壓的平均值。采用90 W功率加熱15 min后，在放電初期，電池組的平均放電電壓與電池單體在-20℃接近，在放電中、后期，電池組的平均放電電壓比電池單體在-20℃高，與-10℃接近，電池組的放電容量與-10℃時基本相等。這說明雖然外部加熱停止，電池組放電所產(chǎn)生的熱量中，除了一部分與-40℃環(huán)境熱交換外，還有一部分剩余熱量繼續(xù)對電池進行加熱，使電池組的溫度從-20℃繼續(xù)升高。采用120 W功率加熱15 min后，在放電初期，電池組的平均放電電壓比電池單體在-10℃略低，在放電中、后期，電池組的曲線與電池單體在-10℃的放電曲線逐漸重合，但是并未出現(xiàn)90 W功率加熱后的電池組放電電壓大幅度超過-20℃電池單體放電電壓的情形。這是因為加熱后，電池組的溫度已接近-10℃，雖然電池組在放電過程中產(chǎn)生大量熱量，但是在外部-40℃環(huán)境溫度作用下，這部分熱量只能將電池組的溫度維持在-10℃附近，而無法繼續(xù)提高電池溫度，因此整個放電過程與-10℃接近。采用240 W功率加熱15 min后，在放電初期，電池組的平均放電電壓比電池單體在0℃略高，說明通過加熱，電池組的溫度已提升至0℃以上，但是在放電中、后期，電池組的平均放電電壓比電池單體在0℃時低，最終的放電容量也低于電池單體在0℃的放電容量。其原因也是由于停止加熱后，電池組放電所產(chǎn)生的熱量不足以使電池溫度維持在0℃。

圖9　加熱前后電池單體1C恒流放電曲線Fig.9 Discharge curves of 1C batteries constant-current heated or not

5.2低溫加熱后電池組1C恒流充電性能

圖10給出了在-40℃環(huán)境下，采用240 W加熱15 min后電池組1C恒流充電曲線和電池單體未加熱在不同溫度下1C恒流充電曲線。通過加熱，電池組的充電性能大幅提升，電池組的溫度提升至0℃～10℃之間，由于電池組充電加熱可以利用外部電源進行，因此，主要應(yīng)考慮加熱時間和電池受熱均勻性問題。

圖10　加熱前后電池單體1C恒流充電曲線Fig.10 Discharge curves of batteries 1C constant-current heated or not

5.3低溫加熱后電池組脈沖充放電性能

通過上述電池組低溫加熱實驗研究可知，加熱后電池組的充放電性能均有大幅提升。由于均采用1C恒流對加熱后的電池組進行充放電，無法獲知電池在極低溫度環(huán)境下加熱后能夠達到的最大充放電功率，因此，本節(jié)對加熱后的電池組進行脈沖充放電池實驗研究。

在常溫下，電池組以1C/3倍率恒流恒壓充滿電后，在-40℃的溫箱中靜置8 h后，采用120 W功率對電池組加熱15 min。加熱結(jié)束后，電池組進行脈沖充放電，從電池組SOC為0.9開始進行脈沖充放電，每隔0.1，SOC進行一次脈沖充放電，直到電池組SOC降為0.1。脈沖充放電過程中，放電電流最低為17.5 A，最大為280 A，充電電流最低為17.5 A，最大為210 A，電池組加熱后整個脈沖充放電結(jié)果如圖11所示。為了更清晰地看到加熱后電池組的充放電情況，對電池組SOC為0.9和0.1的脈沖曲線進行放大，如圖12和圖13所示。從圖中可以看出，加熱后電池組的放電性能顯著提高，在初期，放電電流最大可達210 A，隨著脈沖充放電進行，電池組能夠以280 A進行放電。相對而言，電池的充電性能稍差，在SOC大于0.5，充電電流最大無法超過50 A，隨著容量減小，充電電流逐漸增大，最終充電電流可達到210 A。通過脈沖充放電實驗可知，加熱后，-40℃環(huán)境下的電池組從未加前熱得幾乎無法進行充放電到可以進行大電流的充放電，其性能顯著提升。

圖11　-40℃下電池組加熱后脈沖充放電曲線Fig.11 Pulse charge-discharge curves of battery package after heated at -40℃

圖12　電池組SOC為0.9的脈沖局部放大Fig.12 Pulse charge-discharge curves of battery package when SOC is 0.9

圖13　電池組SOC為0.1的脈沖局部放大Fig.13 Pulse charge-discharge curves of battery package when SOC is 0.1

6　結(jié)論

（1）針對電動車輛用方形35 Ah、3.7 V錳酸鋰動力電池進行低溫充放電性能研究，結(jié)果表明：隨著溫度降低，動力電池充放電性能大幅衰減，在-20℃下，電池組已無法正常工作。因此，低溫環(huán)境中，動力電池組必須采用加熱系統(tǒng)進行預(yù)加熱，提高其低溫性能后才能正常使用。

（2）采用寬線金屬膜加熱法能夠大幅提升動力電池的低溫性能。加熱后，電池的放電容量、放電電壓和放電功率均大幅提高。

（3）通過對加熱后的電池組進行脈沖充放電實驗，結(jié)果表明：在-40℃的環(huán)境下，通過預(yù)加熱后的電池組能夠進行大電流充放電。

（4）通過低溫加熱實驗可知，低溫環(huán)境下，只需在初始階段對電池進行預(yù)加熱即可，這主要是由于電池在充放電過程自身會產(chǎn)生熱量。

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Study on Heating Method of Lithium-ion Battery Used in Electric Vehicle

LEI Zhiguo1，ZHANG Chengning2，LEI Xueguo3，LI Junqiu2
（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China；2.National Engineering Laboratory for Electric Vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；3.Fujian Wanrun New Energy Technology Co.，Ltd，F(xiàn)uzhou 350100，China）

In order to improve the low-temperature performance of lithium-ion battery，the experiments of the charge-discharge characteristics of 35 Ah high-power Lithium-ion battery are conducted under the condition of cold temperature，and the wide-line metal film method for heating battery is presented. At -40℃，heating and charge-discharge experiments have been performed on the battery pack. The results indicate that the charge-discharge performance is dropped substantially in cold climates，and the charge-discharge performance can be significantly improved after heating by the wide-line metal film. Meanwhile，the experiments of the plus charge-discharge of heated battery pack prove that the battery pack can charge or discharge at high current and offer enough power after heating at -40℃.

Lithium-ion battery；charge-discharge characteristics；low-temperature performance；electric vehicles；heating method

雷治國

2015-07-06

國防預(yù)研項目（104010108）；福建省自然基金項目（2014J01173）；福建省教育廳資助項目（JA12100）。

雷治國（1978-），男，通信作者，博士，講師，研究方向：新能源技術(shù)、電動汽車動力電池組管理系統(tǒng)等，E-mail∶lzgkkk@163. com。

張承寧（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電驅(qū)動車輛電機驅(qū)動系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、整車綜合控制與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等，E-mail∶mrzhchn@bit. edu.cn。

雷學(xué)國（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：電驅(qū)動車輛電機驅(qū)動系統(tǒng)、整車控制系統(tǒng)等，E-mail：leixueguo@163.com。

李軍求（1976-），男，博士，副教授，研究方向：電驅(qū)動車輛電機驅(qū)動系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、整車綜合控制與數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，E-mail∶wm1104@126.com。