电动自行车用锂离子电池组温度试验研究①

顾正建，严 媛，黄 惠

( 1.无锡市产品质量监督检验院，江苏 无锡 214028; 2.国家轻型电动车及电池产品质量监督检验中心，江苏 无锡 214028)

1 前言

锂离子电池因其具有能量密度高、功率密度高、充放电寿命长、自放电率低、无记忆效应等一系列优点，使其在电动自行车上有极大的应用价值[1]。电动自行车在骑行过程中，锂离子电池组被不断放电，并伴随热量产生，会导致电池内部温度升高和单体电池之间温度不均匀，造成电池性能不稳定，严重时甚至影响到电池的使用安全和寿命[2-4]。而动力电池的温度对其电化学体系、输出功率、使用寿命、安全性等都有很大影响。同时由于电池及其保护装置的外部散热条件、热保护方式和单体电池的空间位置不同，电池组内不同单体电池间、保护装置核心元件、过热保护元件布局位置等会产生温度差异。本文分析研究电动自行车用锂离子电池组特征单体电池和核心保护元件在电池组使用过程中的温度变化，为电池组组成部件的合理布局、增强电池组的使用安全性及延长电池组的使用寿命提供技术支持和技术储备。

2 试验与结果

2.1 试样相关参数

试验中所用的锂离子电池组采用正极为镍钴锰酸锂的18650型单体电池；采用具有过压保护、过流保护、欠压保护、短路保护、过热保护等功能的保护装置。表1为试验用锂离子电池组的主要技术参数。

表1 锂离子电池组主要技术参数

2.2 试验设备

使用美国Arbin公司生产的EVTS高精度充放电测试系统(电流电压精度为0.1%FSR)，日本ESPEC株式会社生产的LU-120高低温环境试验箱(-25℃ ～85℃，温度波动度为±0.5℃)，日本YAKOGAWA公司生产MV2000温度巡检仪(J型)。

2.3 试验过程

2.3.1测温点连接

将试验所需设备与锂离子电池组连接，如图1所示。温度巡检仪热电偶分布于锂离子电池组特征单体电池及保护装置充放电保护MOSFET表面，如图2所示。具体测温点如图2a～2e，图2a～2d是特征单体电池的测温点位置示意图，共9个测温点，分别命名为测温点1、测温点2、测温点3……测温点9。图2e是保护装置充放电保护MOSFET表面测温点位置示意图，共8个测温点，分别命名为测温点10、测温点11、测温点12……测温点17。图2f是实际样品示意图。

图1 温度试验示意图Figure 1. Temperature test diagram

图2 a为模块1(9并7串)DOWN面测温点位置示意图；b为模块1(9并7串)UPPER面测温点位置示意图； c为模块2(9并6串)UPPER面测温点位置示意图；d为模块2(9并6串) DOWN面测温点位置示意图; e为保护装置充放电保护MOSFET表面测温点位置示意图；f试验用锂离子电池组实物图Figure2. Down point for measuring temperature(a for module 1, d for modle 2);UPPER point for measuring temperature(b for modle 1, c for modle 2);Temperature measurement point of portective device(e); Physical diagram of lithium-ion batteries(f)

图3 电池组不同温度条件下充电测温点最高温度图Figure 3. Charge side maximum temperature in the battery group under different temperature conditions.

2.3.2试验方法

(1)充电：将试样分别在25℃、45℃条件下恒温4h进行4A(模拟充电器正常充电电流)充电；

(2)放电：将试样在25℃条件下恒温4h分别进行10A(正常工作电流)、35A(最大工作电流)放电，在45℃条件下恒温4h进行35A放电。

具体试验方法如表2所示。

表2 试验方法

3 结果与分析

3.1 不同试验温度条件下充电

图3为锂离子电池组在25℃、45℃试验温度条件下充电时，电池组内特征单体电池、保护装置充放电保护MOSFET测温点最高温度图。由图3a可以看出：电池组在25℃试验温度下，4A电流充电，最高温度最大值的测温点出现在模块1中心单体电池负极集流体位置，温度为29.6℃(测温点6)；最小值出现在模块1边缘单体电池壳体表面，温度为28℃(测温点7)。值得注意的是柱状图的顶端几乎在同一条平行线上，这表明电池组在该试验条件下充电，电池组内部的特征单体电池和保护装置的温度几乎一致，温差很小。图3b是电池组在45℃试验温度下，4A电流条件下充电时电池组的测温点温度柱状图，最高温度最大值的测温点亦出现在模块1中心单体电池负极集流体位置，温度为47.8℃(测温点6)，仅高出保护装置MOSFET表面温度约0.2℃；最小值亦出现在边缘单体电池壳体表面，温度为47℃(测温点7)。该柱状图的顶端亦呈一条直线趋势，电池组内部特征单体电池和保护装置的温差非常小。

电池组在25℃和45℃试验温度下充电，电池组单体电池及保护装置充放电保护MOSFET表面各温度点之间表现出较高的一致性，图3c近似一条直线，这充分表明电池组在允许的高温条件下进行正常电流充电对电池组使用影响不大。

3.2 不同温度不同电流条件下放电

图4为锂离子电池组在25℃10A、25℃35A、45℃35A条件下放电，电池组内特征单体电池、保护装置充放电保护MOSFET测温点的最高温度图。图4a是电池组在25℃10A条件下放电，最高温度最大值出现在模块1中心单体电池正极集流体位置，温度为36.6℃(测温点5)，特征单体电池的温度(测温点1-9)在所有测试点温度中相对较高，温度均值为35.4℃；最小值出现在保护装置充电保护MOSFET表面(测温点10，温度为31.4℃)，保护装置充电保护MOSFET表面温度(测温点10,11,12,13)在所有测温点中温度相对较低，均值为31.6℃。25℃10A试验条件下，即电池组在常温正常工作电流条件下使用，电池组保护装置充电保护MOSFET平均温度相对单体电池平均温度低3.8℃，各温度点温度表现出相对较好的一致性。

图4b是电池组在25℃35A条件下放电测温点的温度图，最高温度最大值出现在保护装置放电保护MOSFET表面(测温点14,15,16,17)，温度均值为71.6℃；在此试验条件下，特征单体电池的温度相对较低(测温点1-9)，温度均值为60.7℃，最小值出现在边缘单体电池壳体表面，温度为54.7℃。图4c是电池组在45℃35A条件下放电测温点的温度图，最高温度亦出现在保护装置放电保护MOSFET表面(测温点14,15,16,17)，温度均值高达75.8℃；此时，特征单体电池的温度亦相对较低(测温点1-9)，温度均值为57.2℃，最小值亦出现在边缘单体电池壳体表面，温度为54.2℃。在25℃35A和45℃35A条件下，即电池组在最大工作电流下使用时，放电保护MOSFET表面最高温度显著升高，相对单体电池分别高出10.9℃和18.6℃。这表明电池组在最大工作电流条件下使用时，MOSFET温升较高，与特征单体电池的温差较大，因此保护装置不宜与单体电池紧邻放置，否则会影响电池使用，甚至有安全隐患。值得注意的是，即使在高温高电流条件下使用该电池组，特征单体电池的温度均未超过65℃，在该温度内特征单体电池的发热量仍然主要源于焦耳热，安全性能有保障[5-6]。

图4 电池组不同温度不同电流条件下放电测温点最高温度图Figure 4. Discharge side maximum temperature in the battery group under different temperature and current

4 结论

(1)电池组在常温和允许的高温条件下充电，对电池组使用影响不大。

(2)电池组在最大工作电流条件下使用时，MOSFET表现出较高的温升。由于电动自行车用锂离子电池组一般没有辅助散热条件，此时保护装置不应与单体电池紧邻放置，否则会影响电池使用，甚至有安全隐患。

(3)由于无特殊辅助散热装置，单体电池在充电和放电条件下都表现出中间单体电池温度始终高于边缘单体电池，在电池梯次利用时，应优先选择边缘单体电池。

(4)电池组在设计温度保护时，热敏电阻应选择放置在最不易散热的单体电池处，不应选择放置在边缘单体电池表面。且应选择在保护装置与单体电池最近的地方放置热敏电阻，设计温度保护。

(5)电池组内部宜增加辅助散热装置，均衡电池组内部温度，增强电动自行车在加速、爬坡、负重等特殊场景的使用安全性。

[1] 毕道治.大容量高功率锂离子电池研究进展[J].电池工业,2008,13(2):114-119．

[2] 李哲,韩雪冰,卢兰光等.动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J].机械工程学报,2011,47(18):115-120.

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[6] 张志杰,李茂德.锂离子动力电池温升特性的研究[J].汽车工程,2010,32(4):320-321．