電動汽車鋰離子電池溫度性能研究

周禮

摘要：我國汽車產(chǎn)業(yè)起步較晚，但在電動汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了“彎道超車”。在電動汽車生產(chǎn)制造過程中，鋰離子電池作為其核心構(gòu)件，其溫度性能對于電動汽車整體性能具有直接影響，所以必須明確鋰離子電池的具體性能情況。對電動汽車鋰離子電池溫度性能進(jìn)行深入的研究與分析，并提出合理的意見和措施，旨在進(jìn)一步促進(jìn)電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電動汽車;鋰離子電池;溫度性能;技術(shù)因素;優(yōu)化措施

中圖分類號：U469.72 收稿日期： 2022—02—18

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.005

1鋰離子電池概述

鋰離子電池是一種二次電池，即充電電池，它主要通過鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動進(jìn)行工作。在充放電過程中，鋰離子在兩個電機(jī)之間往返嵌入和脫嵌：在充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，從而處于富鋰狀態(tài)，放電時(shí)則相反。

鋰離子電池為鋰系電池的重要組成部分，手機(jī)、筆記本電腦等使用的都是鋰離子電池，通常被人們稱為鋰電池，電池一般采用含有鋰元素的材料作為電機(jī)，是現(xiàn)代高性能電池中的重要組成部分。真正的鋰電池因?yàn)槲ｋU(xiǎn)性較大，所以基本不用在人們?nèi)粘Ｊ褂玫碾娮赢a(chǎn)品中"。鋰離子電池因其優(yōu)越的性能逐漸在電動汽車中使用，成為發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)的助力"。圖1為鋰離子電池的工作原理圖。

綜合來看，鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.電壓較高。鋰離子單體電池的工作電壓能夠達(dá)到3.7—3.8 V，是Ni—Cd以及Ni—MH電池的3倍左右。

b.比能量較大。鋰離子電池的比能量能夠達(dá)到550 W—h/kg左右，也就是材料能夠達(dá)到150 mA—h/g以上的比能量，接近鋰離子電池理論比能量的90%。

c.循環(huán)壽命較長。通常情況下，鋰離子電池的循環(huán)使用壽命能夠達(dá)到500次以上，部分優(yōu)質(zhì)鋰離子電池能夠達(dá)到1000次以上，其中磷酸鐵鋰電池能夠達(dá)到8000次以上，針對小電流放電的電器循環(huán)使用次數(shù)還有所增加。

d.安全性能較好。使用安全一直是困擾電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要問題。作為鋰離子電池前身的Li—ion電池，因?yàn)槠渲械慕饘黉嚭苋菀壮霈F(xiàn)短路問題，使其應(yīng)用受到限制。Ni—Cd電池存在記憶效應(yīng)問題，電池使用受到很大影響。相比之下，鋰離子電池具有無公害、無記憶效應(yīng)的優(yōu)勢，能夠大大提高使用安全性。

e.充電速率較高。1C充電30 min容量能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)容量的80%以上，磷鐵鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)充電10 min達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)容量的90%左右，在充電速率方面具有很大優(yōu)勢。

f.工作溫度。鋰離子電池的工作溫度為—25～45℃之間，且在電解液技術(shù)以及正極技術(shù)的發(fā)展下，有望達(dá)到—40～70°C之間[3。

2溫度對電動汽車鋰離子電池的影響分析

鋰離子電池因其能量密度優(yōu)勢、循環(huán)壽命優(yōu)勢以及功率性能優(yōu)勢，在化學(xué)儲能領(lǐng)域獲得了很大成功，尤其是在電動汽車快速發(fā)展的背景下，在動力電池領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。在具體應(yīng)用過程中，由于我國各地區(qū)的氣候差異較大，東北地區(qū)溫度較低，南方地區(qū)溫度較高，這種較大的溫度變化將對鋰離子電池的性能產(chǎn)生一定的影響。

近年來，部分研究人員研究了環(huán)境溫度變化對鋰離子電池功率性能的影響，分析發(fā)現(xiàn)，溫度對于鋰離子電池放電容量的影響較小，但是對于鋰離子電池功率性能會產(chǎn)生很大影響。

通常情況下，鋰離子電池最大放電功率會受到多種因素的影響，比如時(shí)間、截止電壓等。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，鋰離子電池在放電過程中不降低到特定截止電壓對應(yīng)的最大功率為其最大放電功率，所以需明確鋰離子電池的截止電壓特性與基本參數(shù)，考慮到截止電壓參數(shù)對最大放電功率的影響，依據(jù)截止電壓對鋰離子電池的放電功率進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，電池的SOC（即荷電狀態(tài)）以及環(huán)境溫度會對鋰離子電池倍率性能產(chǎn)生很大影響。

溫度變化會對電動汽車鋰離子電池的充電以及放電性能產(chǎn)生直接影響，根據(jù)相關(guān)廠家的試驗(yàn)情況來看，環(huán)境溫度太高或者太低均會對鋰離子電池的特性產(chǎn)生直接影響，例如，導(dǎo)致鋰離子電池電壓下降、容量下降等。

通常情況下，鋰離子電池的環(huán)境溫度需要控制在10～40C的范圍內(nèi)，才能夠保證鍵離子電池的性能最大化發(fā)揮。部分研究發(fā)現(xiàn)，在充電電流為5 A的情況下，—25°℃的充電時(shí)間相比于25℃的充電時(shí)間下降約為63%，所以低溫會降低鋰離子電池的充電時(shí)間，雖然低溫環(huán)境對于鋰離子電池放電性能影響較小，但是會縮短鋰離子電池的使用壽命。

同時(shí)，溫度對于鋰離子電池放電性能也具有一定影響，主要體現(xiàn)在放電容量和放電電壓方面。在溫度降低的情況下，鋰離子電池內(nèi)阻逐漸增加，電化學(xué)反應(yīng)速度不斷下降，極化內(nèi)阻迅速提升，鋰離子電池放電容量則會降低，最終導(dǎo)致電動汽車鋰離子電池功率以及能量輸出受到一定影響。

3鋰離子電池溫度性能的試驗(yàn)分析

3.1單體電池充放電實(shí)驗(yàn)平臺搭建

為了明確電動汽車鋰離子電池的溫度性能，準(zhǔn)備電池充放電設(shè)備DigatronBNT200—0100ME，該設(shè)備充放電電壓為0～100 V，充放電電流為200 A，測試精度能夠達(dá)到+0.2%范圍內(nèi)。首先，環(huán)境溫度通過立式恒溫恒濕控制器保持恒定，該設(shè)備溫度控制范圍為—55～150C，溫度控制較為準(zhǔn)確，基本不會出現(xiàn)誤差問題。其次，鋰離子電池在充放電過程中，溫度變化由測溫儀對其不同點(diǎn)位中的溫度進(jìn)行測定。此外，測試鋰離子電池為我國某企業(yè)生產(chǎn)的硬包50A—h能量功率兼顧型的磷酸鐵鋰離子電池。

3.2溫度對于鋰離子電池放電電壓的影響

為了明確鋰離子電池在不同環(huán)境溫度下的放電電壓性能，本次試驗(yàn)在常溫環(huán)境下進(jìn)行橫流充電指導(dǎo)截止電壓停止，步驟及要求如下：a.充電時(shí)倍率為0.3 C，截止電壓規(guī)定為3.65 V，之后以恒壓3.65 V方式充電，直到充電電流低于1 A為止，充電結(jié)束;b.充電完成后，將鋰離子電池在恒溫箱中靜置3 h，最后分別以某倍率進(jìn)行恒流放電，直到截止電壓為2.5 V，具體來說，在—40°C、—20°℃、0°℃、20℃以及40℃環(huán)境下，分別采用0.5 C和1C倍率進(jìn)行恒流放電。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在鋰離子電池放電倍率條件相同的情況下，隨著環(huán)境溫度的不斷下降，鋰離子電池放電過程中的電壓逐漸下降，且在0～40℃范圍內(nèi)，電壓下降速度緩慢，低于0C之后，鋰離子電池放電電壓出現(xiàn)明顯下降趨勢，直至—40C時(shí)離子電池開始無法正常放電。其中，在—20℃和1℃放電環(huán)境下，鋰離子電池的放電曲線出現(xiàn)了明顯的雙臺階形狀，在20C時(shí)其放電電壓達(dá)到最大值。

由此可見，溫度對于鋰離子電池的放電電壓會產(chǎn)生直接影響，較低溫度會導(dǎo)致鋰離子電池?zé)o法正常放電。

3.3溫度對于鋰離子電池交流內(nèi)阻的影響

在測量鋰離子電池的內(nèi)阻時(shí)，對鋰離子電池正極和負(fù)極施加固定頻率的低電壓和低電流，之后按照電壓和電流的響應(yīng)判斷其內(nèi)阻情況。

本次試驗(yàn)使用HIOKI BT3564電池測試儀，采用交流四端子測試方法對鋰離子電池的交流內(nèi)阻進(jìn)行測定，測量條件設(shè)定如下：電壓為5mV，頻率為1 kHz，測量時(shí)間為6 h。根據(jù)測量結(jié)果，在一定的溫度變化范圍內(nèi)，鋰離子電池滿電情況下的1h內(nèi)，內(nèi)阻隨著時(shí)間的提高而增加，之后內(nèi)阻保持穩(wěn)定狀態(tài)。

由此可得，將試驗(yàn)中單體鋰離子電池放置在恒溫箱2h及以上時(shí)間，能使鋰離子電池進(jìn)入最穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 鋰離子電池溫升特性分析

為了明確鋰離子電池在不同條件下的溫升特性，本次試驗(yàn)將分別在0.5 C、1C以及2 C三種不同倍率下對鋰離子電池進(jìn)行放電。首先，在25℃的溫度環(huán)境下，對鋰離子電池以0.3 C的倍率進(jìn)行恒流放電，放電截止電壓為3.65 V時(shí)，再以恒壓3.65 V繼續(xù)放電，直至充電電流低于1 A停止放電。之后將鋰離子電池靜置在恒溫箱中3h，再分別采用0.5 C、1 C以及2 C倍率對鋰離子電池進(jìn)行恒流放電，對0.5C、1C以及2C放電倍率下的溫度變化進(jìn)行曲線繪制。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：在放電倍率不斷增加的情況下，鋰離子電池表面溫度提升速度越高，則放電時(shí)間越短，鋰離子電池的放電穩(wěn)定性逐漸下降;針對電池內(nèi)阻不同單體的鋰離子電池之間具有一定的差異的情況，模塊內(nèi)熱量分布的不均勻性則會增加。

本次放電試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，0.5 C、1 C和2 C放電倍率對應(yīng)的放電溫度分別為39.41°C、42.40C以及53.85°C。

3.5鋰離子電池循環(huán)性能分析

在本次試驗(yàn)中，采用脈沖放電的方式對鋰離子電池在15°℃、25℃以及35C條件下的功率性能進(jìn)行分析，這種放電方式能夠快速獲取鋰離子電池的最大充電功率、最大放電功率以及循環(huán)性能。在試驗(yàn)過程中，首先采用5C倍率放電10 s，之后靜置40 s，再采用3.75 C倍率對鋰離子電池充電10 s。

鋰離子電池的功率性能計(jì)算流程為：

a.測量鋰離子電池在充放電過程中的最低或最高電壓與開路電壓差值。

b.將差壓差值除以充電電流或放電電流進(jìn)行計(jì)算，從而獲得電池內(nèi)阻電流。

c.根據(jù)公式Pp=VMin—IDisMax=VMin（OCVDi—VMin）/Rpi，以及Pc=VMaxIchg Max=VMax（VM-OCVc）/Rcng，對不同鋰離子電池在不同SOC下的最大功率進(jìn)行計(jì)算。其中，V表示最低截止電壓，V表示最高截止電壓。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，溫度會對鋰離子電池的循環(huán)性能產(chǎn)生直接影響，在溫度不斷升高的情況下，循環(huán)老化速度會逐漸加劇。

4結(jié)語

本文全面闡述了鋰離子電池的基本情況，并分析了溫度對鋰離子電池性能的影響，最后以試驗(yàn)的方式對鋰離子電池溫度性能進(jìn)行了研究，并得出相應(yīng)研究結(jié)論。希望該研究結(jié)論能夠?qū)ξ覈妱悠囈约颁囯x子電池研究領(lǐng)域起到借鑒作用，并能促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁欣.電動汽車鋰離子電池低溫性能研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2020，58（8）：118—121.

[2]巫揚(yáng)勛.電動汽車鋰電池組溫度場研究及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2020，10（6）：70—72.

[3]戴海燕，王玉興.基于電化學(xué)熱耦合模型的電動汽車電池模組熱特性研究[J].汽車工程，2020，42（5）：665—671+687.

[4]盤朝奉，劉兵，陳龍，等.鋰離子電池溫升特性分析及液冷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，55（1）：86—75.

[5]林曉偉，賈權(quán).電動汽車軟包鋰電池溫度控制方法[J].電源技術(shù)，2020，44（8）：1105-1107+1167.