低温自加热设计提高锂离子电池组性能的研究

沈川杰 李克峰 史佳超 赵建伟 谢巧

摘要：本文介绍了一种低温45℃环境条件下使用的弹上锂离子电池的自加热设计方案，并通过低温45℃环境条件的实际测试，结果表明弹上锂离子电池组采用自加热设计较不采用自加热设计的电性能有显著提高，从而满足了技术指标的要求。

关键词：锂离子电池组；自加热；电性能

1 概述

锂离子电池以其比功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低等优点，[1]在电子通讯[2]、新能源汽车[3]、运载火箭以及导弹等领域广泛应用。然而，当锂离子电池处于比较低的环境温度中，电池的充放电性能会大大降低，导致电池无法正常工作。[4]本文以某弹上锂离子电池组为研究对象，对比分析了该锂离子电池组在45℃条件下采用自加热功能和不采用自加热功能两种状态下的电性能。

2 电池组方案设计

主要技术指标为：在45℃稳定6h后锂离子电池组容量≥2Ah，工作电压20.7～24.7V，工作电流3A。

21 电池堆设计

锂离子电池组设计工作电压要求范围为20.7V～24.7V，采用6串单元锂离子电池组合方式可满足锂离子电池组工作电压的要求。单体电池采用低温性能好的2.5Ah的圆柱形锂离子单体电池，其工作电压在3.46V～4.125V之间，该电压区间的容量占总容量约70%，单体电池以4并连接方式组合而成，设计锂离子电池组常温容量约为7Ah，电池堆通过跨接片串并联而成，其结构示意图如图1所示。

22 保温及加热电路设计

锂离子电池组外壳与电芯堆之间采用厚度为4mm～20mm的硬质聚苯乙烯泡沫进行保温，该材料具有强度较高，保温性能好，耐腐蚀等特性，是理想的保温材料。电池堆上下两面粘贴薄型加热带（R1、R2，电阻值相同），温度继电器（K2）安装在电池堆侧面，控制加热回路的自动开通，当温度在22℃±3℃时，K2接通，当温度到12℃±3℃时，K2断开，锂离子电池组外壳上设计有开关K1控制整个回路的输出，开关K2控制整个回路的输出，加热供电原理如图2所示。

23 加热带电阻设计

当锂离子电池组内外温差为20℃时，按照以往测试数据，其散热速率约为10℃/h，电池堆比热容约为1.0kJ/（℃·kg），电池堆和加热带重量约1.28kg，根据公式，

UIdt=Cpmdk（1）

为保证锂离子电池组内部温度不低于25℃，可计算获得最低加热电流，

I=Cpm/U·dk/dt=1000×1.28/24×10/3600A=0.15A（2）

其中U为电压（单位V），I为电流（单位A），Cp为比热容（单位kJ/（℃·kg）），m为重量（单位kg），dk为温度的微分值（单位℃），dt为时间的微分值（单位s）。

为了加快加温过程，本设计选取加温电流为0.3A，此时，加热带电阻R1=R2=24V/0.3×2A=180Ω。

3 试验验证

将锂离子电池组放入45℃的低温箱中静置6h，然后锂离子电池组在45℃低温箱中以3A恒流放电40min。本试验测试了两种状态情况的放电情况，包括开关K2断开（断开自加热回路）和开关K2闭合（接通自加热回路），具体详见图3。

从图3可以看到，当开关K2断开时，加热回路完全被断开，锂离子电池组放电时，电压迅速下降到最低点18.156V，然后缓慢上升至20.178V，整个过程放电电压低于技术要求的下限值20.7V，不满足任务指标的要求。当开關K2闭合时，加热回路接通，在低温环境下，温度继电器自动接通，使锂离子电池组利用自身的能量对自己进行加热，锂离子电池组整个过程放电电压在22.93V～21.139V之间。试验结果表明，本研究的自加热设计可以有效地提高锂离子电池的低温性能，从而达到任务指标的需求。

4 结论

本文研究了某弹上锂离子电池组采用自加热和不采用自加热两种情况下的工作情况，结果表明：低温45℃环境条件下，锂离子电池组采用自加热设计后，其工作电压可以得到显著提高，从而解决了弹上锂离子电池组在低温环境条件下的电性能。

参考文献：

[1]李鸣，毛景立.装备采购理论与实践[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]倪文昊，丁冬.我国锂离子电池发展现状及前景探讨[J].化工技术，2012（01）.

[3]谢先宇，王潘，安浩，等.汽车用动力锂离子电池发展现状[J].新能源汽车，2010（01）.

[4]张承宁，雷治国，董玉刚.电动汽车锂离子电池低温加热方法研究[J].北京理工大学学报，2012，32（09）.

作者简介：沈川杰（1986），男，四川成都人，硕士，工程师，运载导弹领域电源设计方向。