传统内燃机汽车的排放造成环境污染,引起了温室效应和全球变暖,近几年来电动汽车得到了前所未有的发展｡动力电池对电动汽车的影响最大｡锂离子电池在工作中会产生发热现象,而温度是影响动力电池性能的重要因素,会直接影响电池的性能｡动力电池的性能与环境温度､电池本身的热力学参数以及热管理方法等密切相关｡同时,电池的容量特性､内阻数值和开路电压曲线是反映动力电池性能的重要指标,也是参与电池热管理系统设计的重要参数｡因此,分析锂离子电池在不同环境温度下的性能,对电池热管理系统的开发具有促进效果,也对推动高效清洁新能源汽车的发展具有重要的意义｡

目前锂离子动力电池热特性相关的研究,主要集中在动力电池的发热､散热模型的理论研究,以及动力电池性能在不同环境条件下的实验分析｡并没有将两者结合,深入研究锂离子动力电池性能的重要指标与电池发热机理之间的联系｡本文以3.67V/50Ah三元锂离子电池为研究对象,根据锂离子电池的发热机理,分析影响电池发热的相关的因素,结合具体实验,对锂离子动力电池重要性能指标进行实验分析｡同时,为了更加准确地了解电池的性能,加入对放电效率的分析｡将理论分析与实验相结合,分析电池性能指标在不同环境温度下的改变规律,从而达到了解电池热特性和设计热管理系统的目的｡

1锂离子电池的发热机理分析

锂离子电池的发热问题,主要包括电池自身的发热以及与环境温度的热交换两个部分｡

1.1锂离子电池的发热

在实际分析时,一般采用Sato等人提出的实验分析法｡该方法认为,电池自身的发热主要是指电池内部电化学反应熵变产生的可逆热Qr､电池的欧姆内阻热QJ和极化内阻热QP｡除了上述三种热量来源,在电池充放电时还会产生副反应热Qs｡不过在车辆正常使用时Qs较低,可以忽略｡因此我们只需考虑电化学反应热Qr，欧姆内阻热Qj和极化内阻热Qp。

1.2锂离子电池的热交换

锂离子电池内部热量传递的方式,根据传热学原理可分为热传导､热辐射和热对流等三种方式｡在车辆正常使用时,只需考虑热传导和热对流｡

热传导是指锂离子电池内部产生的热量,依靠微观粒子的热运动向电池壁面传递的过程,并且传热过程遵循傅里叶定律:

根据锂离子电池发热机理分析计算得出,在电池环境处于常温时,所选三元锂离子电池能够及时将自身的产热量释放出去｡但在电池外界环境变化时,会导致电池性能的改变,电池自身发热同样发生变化｡由式(4)可知电动势温度系数(E/T)与DS的变化相关,同时DS与电池SOC关系密切,根据资料得出:当0.4<SOC<1时,DS>0,电池放电反应吸热;当SOC<0.4时,DS<0,电池放电反应放热,并且温度系数随SOC减小而线性增大｡式(7)中表明电池产热与电池内阻､电流倍率直接相关｡式(8)､式(9)说明电池的对流换热与环境温度关系密切｡因此,结合以上的影响因素,将在不同环境温度下对电池进行实验研究｡

2锂离子电池热特性研究

实验采用充放电设备DigatronMCT100-6-8､防爆型高低温试验箱､温度采集及电压采集装置等,分别进行不同环境温度下锂离子动力电池放电容量､荷电状态-开路电压曲线､直流内阻以及放电效率的测试｡

2.1环境温度与放电容量

测试方法如下(0.1C为例):在室温下将电池用1C电流放电至截止电压,搁置1h;接着对电池用1C电流充电至4.25V,接着恒压充电至电流2.8A为止,搁置1h;然后将电池放入高低温试验箱,在设定的环境温度中搁置2h;最后以0.1C电流放电至单体电压值2.8V,同时记录此阶段电池的放电容量｡实验中放电倍率选取0.1C､0.3C､1C､2C､3C､4C进行｡

实验结果如图1所示,电池的放电容量随着放电倍率的升高而降低,随着环境温度的升高而升高｡同时分析可得,电池的初始放电电压随放电倍率的增大而降低｡在环境温度小于25℃时,高放电倍率下的放电容量,比低倍率降低趋势明显,环境温度高于25℃时,曲线的变化相对平稳｡

2.2环境温度与直流内阻

测量电池内阻的方法参考混合脉冲功率性能(HPPC)实验,测试方法如下｡

依照2.1节中的实验方法,先将电池电量放空,接着充满电,进行搁置,试验箱温度分别设定为-25､0､25､40℃｡

以1/3C恒流放电,调整电池的SOC值为0.9,搁置1h｡对电池进行脉冲放电10s(按照电池厂家提供的最大允许脉冲放电电流),记录放电前后电压和电流值;搁置40s,接着进行脉冲充电10s(按照电池厂家提供的最大允许脉冲充电电流),记录充电前后的电压和电流值;接着继续以1/3C恒流放电,直到放出电量达到10%放电深度(DOD),之后搁置1h｡

循环步骤(3),至放出电量总和为80%为止,使得电池SOC值为0.8､0.7､0.6､0.5､0.4､0.3､0.2､0.1;分别在-25､0､25､40℃的环境温度下进行｡

实验表明,放电内阻和充电内阻均随温度的降低而增大,随SOC的减小而增大,但电池放电内阻大于充电内阻｡如图2所示,环境温度为25和40℃时,电池在不同SOC下的放电内阻相差不大;环境温度为0和-25℃时,电池内阻在SOC为0.4~0.9之间较小,并且随SOC的变化不大,但在SOC低于0.4时,放电内阻随着温度的降低,上升的趋势明显｡如图3所示,在电池充电过程中,环境温度为0､25和40℃时,电池在不同SOC下的内阻相差不大,并且电池内阻相对较小;环境温度为-25℃时,电池内阻都处于一个很高的值,并且在SOC小于0.4时,电池内阻变大的趋势更明显｡

2.3环境温度与开路电压

测试方法如下:依照2.1节中的实验方法,先将电池电量放空,接着充满电,进行搁置;将高低温试验箱设置到需要的温度,搁置2h;然后以1/3C恒流放电,将电池放电至设定的SOC,记录电池的开路电压｡根据上述测试方法,分别测11个SOC点:0､0.1､0.2､0.3､0.4､0.5､0.6､0.7､0.8､0.9和1;4个环境温度:-25､0､25､40℃｡另外由2.2节结果得,在SOC小于0.4时,环境温度在0和-25℃时电池的内阻非常大,为了使电池在保证安全的情况下完成实验,需要将放电电流降至0.1C｡

如图4所示,环境温度相同时,当SOC<0.2时,电池的开路电压下降较快;当SOC>0.2时,电池的开路电压随SOC值的变化相对比较平稳｡不同环境温度下得到的曲线不同,充放电过程中环境温度越低,开路电压值越低｡

在环境温度为0､25､40℃时,电池的开路电压相对差异较小,但是-25℃曲线明显偏低,在SOC值偏低时,电池开路电压很小｡结合第1节内容得,锂离子电池在深度放电时,电池的电化学反应所消耗的内能增大明显,会给电池带来损耗｡

2.4环境温度与放电效率

放电效率是指电池在规定的放电制度下所放出的实际容量与额定容量之比｡电池放电的实际容量要求达到标称容量的80%｡依照这一标准,同时考虑电池的使用寿命,找出电池最佳的工作温度范围｡实验步骤与2.1节中相同,将电池以1C放电,在不同温度下分别进行测试｡

从图5中可以看出来,在环境温度高于40℃或者低于0℃时,电池单体的放电效率下降很明显｡这是因为,在低温放电时电池内阻增大明显,从而导致电池电压提前达到放电截止电压,使得放电容量降低;在高温放电时电池内部材料发生不可逆的衰减,同时电解液浓度过低,使得放电容量降低｡另外,从实验数据中看出,在温度小于-15.5℃或者大于53℃时,电池的放电效率小于80%,因此锂离子动力电池不适宜在环境温度小于-15.5℃或者大于53℃时无辅助热管理运行｡

3结论

本文结合电池的发热机理分析,分析不同环境温度下三元锂离子动力电池的重要性能,得出以下结论｡

(1) 电池的放电容量在低温时迅速衰减,随着温度的升高快速增长,但在常温下比较稳定,高温时放电容量增加放缓｡

(2) 环境温度在室温和高温时,在不同SOC时充､放电内阻数值较小,并且变化不大;在低温时,充､放电内阻随SOC的减小而显著增大,由电池的发热机理可得,当电池内阻增大,导致在放电过程中欧姆内阻热和极化内阻热值增大,电池会产生大量的热,对电池的性能､安全以及寿命产生影响,同时还会为电池包成组应用带来热管理难题｡因此,由实验数据得出三元锂离子电池的工作环境温度应保持高于0℃｡(3)电池的开路电压随温度的降低而降低,并且由温差引起的开路电压的变化随SOC值的减小而增大｡同时,考虑到熵热与SOC值的相互关系,三元锂离子电池在低温下不宜深度放电｡

(4)通过环境温度与放电效率曲线,同时结合已得出的结论，可知在车用锂离子电池的热管理设计中，应该将电池温度控制在0-53℃。

这些结论明确了所用三元锂离子电池的温度特性，对于电池热管理系统的设计具有重要的意义。

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