串联锂离子电池组充放电试验效率研究——锂离子电池管理研究之三

黄 兵

（盐城师范学院，江苏 盐城 224000）

串联锂离子电池在当今新能源领域中的应用愈加广泛，如新能源汽车领域就是采用锂离子电池作为动力源，这是因为锂离子电池相比镍氢电池、铅酸蓄电池功率更高、能量更足的优势。电池作为一种能力存储设备，掌握锂离子电池充放电效率，是进一步加强电池性能的关键点[1]。在过去，国内科研部门多数都是对铅蓄电池、镍氢电池、小容量锂离子电池进行研究，对100Ah及其以上容量的锂离子电池充放电研究较少，所以为了进一步研究串联锂离子电池组（大容量）特性，需要进一步加强对大容量锂离子电池组进行充放电试验，分析充放电特性、内阻、效率等。

1 串联锂离子电池组性能试验

锂离子电池主要包括正负极、膈膜、电解质构成，正极材料主要是磷酸铁锂，负极材料为石墨或碳组成。正负极之间是电池电解液、隔膜构成[2]。电池组就是多个锂离子电池串联，成为串联正负极，中间是锂离子电池组，整体结构和锂离子电池大同小异。在具体实验中，需要从以下几点出发：

1.1 试验设备

为了能够检测串联锂离子电池组充放电性能，需要使用NBT电池测试系统、锂离子动力电池组、温度传感器、恒温箱以及计算机[3]。

1.2 试验流程

使用上述试验设备即可展开串联锂离子电池组的充放电试验、内阻、开路电压特性试验。电池充电采用恒流恒压方案，放电采用恒流方案[4]。结合电池组的实际使用要求，本次试验的恒压充电值为3.6V、恒流放电为2.0V。根据电池在新能源汽车运行工况需求，通常电流在60A～200A之间，所测量的放电电流范围在C/3、C/2、1C、1.5C。主要的试验流程如下：

（1）常温下电池试验：①恒流充放电分别为30A、50A、100A、150A恒流充放电试验。②SOC值为20-80%时大电流100A、150A充放电试验。③内阻、开路电压特性试验。

（2）40℃高温下电池试验，步骤同上。

（3）20℃温度条件下的电池试验，步骤同上。

2 串联锂离子电池组充放电效率分析

在上述试验流程当中，对所获得的试验数据进行处理，对锂离子电池SOC进行分析，包括内阻和电池温度提升特性以及电池组效率特性。

2.1 充电特性

本试验主要是研究了不同温度对电池充放电效率的影响，分别采用了0.35C、0.5C、0.8C恒流充电，在电池组中单体电池电压达到了3.6V时，再采用恒压充电，直到充电电流到10A时完成充电。

通过试验分析表明，随着充电电流增加，充电截止时间也有了明显缩短，80A充电充满时间大约只有35A充电时间的50%。也就是在充电电流增加时，恒流阶段充入容量、能量会逐步降低，恒压阶段充入容量逐步增加。实验表明，为了确保电池使用寿命、使用安全，可以适当提升充电电流，从而缩短充电周期，这对串联锂离子电池组领域发展有着重要意义。

此外，在低温充电当中，恒流充电时间会有所减少，充电效率更高。电池组恒流充电阶段充入容量、能量占据充电容量与能量的主要部分，所以在低温充电过程中，电池充电容量、能量相比常温充电会大大降低。在高温条件下，电池充电容量与能量相比常温环境有所提升，这是由于在高温情况下电池活性物质利用率有所提升，提升了充电效率，但是高温充电会对电池造成负面影响，提升了安全隐患的发生几率，所以要避免电池长期在高温环境当中。当然，电池充放电环境温度也不是越低越好，最佳温度在10℃～25℃之间，可以有效提升电池回收能量率。

2.2 放电特性

2.2.1 不同放电倍率的电压特性

通过对锂离子电池展开了C/3、C/2、1C、1.5C恒流放电试验可知。锂离子电池在放电初期端电压就呈现出了线性关系，并且放电电流增加，电压会持续下降。在放电末期阶段，电池工作电压会快速降低。锂离子电池组工作电压和电池荷电状态SOC存在着十分密切的关系，特别是在SOC为0.3～0.9时还呈现线性关系，这也让开路电压结合AH法估计电池的SOC成为了现实。

C/3、C/2、1C、1.5C恒流放电试验当中，1C和2C放电容量要小于C/3的放电容量和放电能量，但差距并不明显，因此随着放电电流增加，锂离子电池放电容量与能量并没有明显降低。

2.2.2 恒流放电温升与内阻特性

串联锂离子电池温升会直接影响电池使用的安全性，还会对电池性能造成影响。

电池组温升主要和内阻有关。结合公式：Q=I*Rt；Rt=Ro+Rp（I为电放电流，Ro为欧姆内阻，Rp为极化电阻）。通过试验数据表明，在恒流放电条件下，电池组表面温度呈现出线性上升形态，在放电电流增加的同时，温升速率也有所增加。为了能够保障电池可以正常工作，需要重点考虑电池箱通风散热系统性能。采用强制冷却技术将电池组的温度控制在合理范围内。

2.2.3 开路电压特性

蓄电池开路电压是外电路没有电流流过时电极间的电位差。在实际使用当中，如果电池开路电压低于蓄电池允许的终止电压时，后续放电只占据总放电量的很少部分，但是会降低电池的使用寿命，所以放电需要在截止电压指定范围内。通过开路电压能够判定电池荷电状态。《PNGV电池试验手册》中的HPPC试验可以得到电池开路电压特性，主要试验流程为：

（1）使用恒流0.5C限压3.6V，将电池充满电并静止。

（2）使用1C电流放出DOD电量。

（3）静置一个小时。

（4）重复以上三个步骤，直到100%DOD处进行最后试验。

开路电压在不同SOC电池HPPC试验当中结合静置时间得到数据。HPPC测试循环，是先展开10s放电脉冲，之后进行40s搁置后再进行10s充电脉冲过程。

2.2.4 内阻特性

电池内阻主要包括极化内阻、欧姆内阻。其中，欧姆内阻是一个固定值，是正负极、膈膜、连接片内阻的和；极化内阻主要是受到电池充放电、电解液浓度、环境温度影响。在SOC为0.1～0.9内，放电欧姆内阻在1.0mΩ左右波动，变化系数非常小。极化内阻更小一些，大约在0.2mΩ～0.4mΩ范围内。在放电深度持续增加中，锂离子电池组极化内阻会先降低，维持在一定水平，在放电末期会快速增加。锂离子电池单体内阻更小，这也是锂离子电池效率更高的原因。在锂离子电池接近放电完毕时，此时锂离子电池内阻会集聚增加，从而降低了放电效率，这样即可判定锂离子电池处于放电终了阶段，避免电池过放，延长电池的使用寿命。

3 结语

综上所述，通过上述的试验研究表明，高温要比常温充入量高一些，这是因为提升了活性物利用率，在一定程度提升了充电效率，在低温阶段电池容量、能量均有所减少，充放电效率降低。但为了延长电池使用寿命，还需要控制充电温度。放电末期放电效率会持续降低，这是因为内阻突然增加造成的结果，所以可以根据内阻率判定电池电量。可见，在能够保证生产工艺的前提下，还需要对客观因素进行控制才能够保证锂离子电池组的充放电效率、延长电池使用寿命，因此在实际设计和使用中，需要从多方面进行考虑。