低温条件下锂离子电池电、热性能研究

朱蕾，荆海晓，乔雪，张轶，李静

低温条件下锂离子电池电、热性能研究

朱蕾1，荆海晓2，乔雪1，张轶1，李静1

（1.陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710200；2.西安理工大学，陕西 西安 710000）

锂离子动力电池系统在低温条件下能量密度和功率密度降低，影响车辆的动力性能和续航里程。针对此问题，文章选定电池供应商提供的锂离子电池模块，根据目前国标和实际工况对电池系统的要求，采用试验的方法得到了电池模块表面温度随不同环境温度、不同充放电状态以及行驶工况下的变化规律。结果表明，随着环境温度的下降，放电平台、放电容量都会变小，而温升会变大；在低温状态下放电平台会经历一个“波谷”阶段；为了保证低温下电池的正常使用，必须对电池进行热管理设计。本文研究结果可为动力电池系统结构设计和热管理设计提供技术支撑。

动力电池；低温；温升；低温放电

前言

动力电池系统是电动汽车的关键子系统，其性能的发挥直接影响电动汽车动力性、经济性以及安全性。在动力电池的使用过程中连续的充放电都会对电池温度产生影响，过高或者过低的电池温度会影响电池系统的性能、寿命以及安全。因此，锂离子电池对温度的适应性成为制约其在电动汽车应用的关键因素之一；同时电池热管理成为保证电池性能、使用寿命和安全性的关键技术。

动力电池最佳的使用温度是15℃~45℃，实际使用温度范围为-30℃~60℃。在冬季运行过程中，电动汽车多出现续航里程下降的问题。这种情况产生的原因是冬季动力电池系统本身的放电量比常温状态下的放电量要低，如果同时打开汽车空调，使得电动车在冬季运行情况下续航里程严重不足。动力电池系统在低温情况下，锂离子本身的活性比较低，且电解液多处于固态或半凝固的状态，当锂离子进行迁移的过程中阻力较大，活性差导致放电性能变差[1-3]。

本文主要研究环境温度和放电倍率对锂电池电、热性能的影响，分析锂电池处于不同环境温度下、不同放电倍率下的电压平台、温度、容量变化以及某供应商提供的电池模块工况放电条件下电池性能的变化。

1 测试过程

1.1 试验对象

某电池模块参数如表1所示。

表1 电池模块技术参数

1.2 温度采样点布置

温度采样点布置如图1所示。

图1 温度采样点布置

1.3 试验用仪器及设备

表2 试验用仪器和设备

2 动力电池低温性能试验内容

本试验测试方法为：选取环境温度 25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃一共五个温度点，分别进行放电倍率为1C、0.3C、0.5C的放电测试。根据整车试验中采出实际工况路谱图，将其转化为工况电流，进行25℃、0℃、-20℃环境温度下的工况放电测试。记录以上试验的温度、容量、能量、电压、电流等数据。

3 试验结果

3.1 放电平台

在不同环境温度下，电池的放电平台随着环境温度的下降而下降。在-20℃时，放电的初期阶段放电平台会快速下降，达到一个“波谷”阶段。这是由于在低温状态下，电解液处于凝固或者半凝固的状态，电解液的导电率降低，放电平台快速下降。随着放电过程的进行，放电平台缓慢的上升到平台期。这段期间因为随着放电过程的进行，电池内部产生热量，产生的热量融化了电解液，增加了电解液的导电率，降低了电子流动阻力，使得放电平台升高。达到正常的放电平台后，放电趋势与常温下放电趋势相同。虽然电池放电平台趋势相同，但是随着环境温度的降低，电压平台也是降低的。而且从图2-图5中可以看出，环境温度越低，电压平台的“波谷”也越低。对比三种放电倍率可以看出0℃以上的放电平台差异不大，0℃以下的放电平台下降较多。且对比不同的环境温度，环境温度越低放电时间越短。

图2 1C放电电压平台随环境温度变化

图3 0.5C放电电压平台随环境温度变化

图4 0.3C放电电压平台随环境温度变化

图5 工况条件下，不同环境温度下电压变化

3.2 电池表面温度

图6、图7对比了不同放电倍率、不同环境温度下的温差变化。在相同放电倍率下，环境温度越低，温升越大，如：在-20℃的环境温度下，1C放电电池表面的平均温升为35℃；在25℃的环境温度下，1C放电电池表面的平均温升为12℃。这也说明了在低温状态下，更多的能量用于电池升温，输出的能量变小。在相同环境温度，放电倍率越低，电池表面的温升越小，如：在-20℃的环境温度下，0.5C放电电池表面的平均温升为26℃；在-20℃的环境温度下，0.3C放电电池表面的平均温升为21℃。这说明在环境温度较低时，应该采用较小的电流进行放电。这样的效果一是保证电池能量的输出效率；二是保证电池的使用寿命。

图6 不同环境温度、不同放电倍率下的温差

图7 工况条件下不同环境温度电压平台和电池表面温度变化

3.3 放电容量

从表3中可以看出，相同放电倍率下，随着环境温度的降低，放电容量在逐渐的下降。环境温度-20℃下，以0.3C放电放出的能量最低，为25℃下的86%。放电倍率越小，环境温度越低，放出的电量越小。环境温度25℃下，0.3C放电的容量略高，其他温度点都是1C放电的容量最高。

表3 电池在不同放电倍率下的容量变化

4 结论

电池在低温环境下锂离子本身活性比较低，电解液流动阻力大，导电率降低，放电容量降低，影响纯电动汽车的工作。根据试验测试得到电池实际在不同环境温度、不同放电倍率以及工况下的放电平台和电池表面温度变化。得到以下结论：

（1）放电平台会随着环境温度的降低而降低，在环境温度0℃以下时会出现“波谷”，在“波谷”之后放电平台会缓慢上升，上升到一定程度后，放电平台和常温下放电平台趋势一致。

（2）随着环境温度的下降，放电时间越低，放出的电量越小。在同样的温度下，1C容量大于0.5C容量大于0.3C放电容量。

（3）随着环境温度的下降，温升越大。在环境温度-20℃的时候，1C放电阶段电池温升35℃，更多的能量用于电池升温。放电容量减小。

（4）在测试的温度点中，环境温度-20℃，0.3C的放电容量最低。放电容量为25℃下的86%。

（5）工况放电中，环境温度-20℃时，电池使用处于0℃以下，这种使用工况对电池的寿命影响极大，建议在低温状态下对电池系统进行保温、加热等处理。

[1] 霍宇涛,饶中浩,刘新健,等.基于液体介质的电动汽车动力电池热管理研究进展[J].新能源进展,2014,2(2):135-140.

[2] 张国庆,马莉,张海燕.HEV电池的产热行为及电池热管理技术[J].广东工业大学学报,2008,25(1):1-4.

[3] Xun J, Liu R, Jiao K. Numerical and analytical modelingof lithium ion battery thermal behaviors with differentcooling designs[J]. Jour -nal of Power Sources, 2013, 233:47-61.

Study on Electrical and Thermal Properties of Lithium-ion Batteries at Low Temperature

Zhu Lei1, Jing Haixiao2, Qiao Xue1, Zhang Yi1, Li Jing1

（1.Shaanxi Automobile Group Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200; 2.Xi’an University of Technology, Shaanxi Xi’an 710200）

Under low temperature conditions the energy density and power density of the lithium-ion power battery system will be reduced, which affects the vehicle's dynamic performance and cruising range. In response to this problem, a lithium-ion battery module provided by the battery supplier is selected in this study. According to the current national standard and actual working conditions for the battery system, the surface temperature of the battery module is obtained for different ambient temperature, different discharge state and driving conditions. The results show that as the ambient temperature decreases, the discharge platform and discharge capacity will become smaller, and the temperature rise will become larger; in the low temperature state, the discharge platform will experience a "valley" stage. In order to ensure the normal use of the battery at low temperatures, thermal management of the battery is necessary. The research results in this paper can provide technical support for structural design and thermal management design of power battery systems.

Battery; Low temperature; Temperature raise; Low temperature discharge

U469.7

A

1671-7988(2019)18-42-03

U469.7

A

1671-7988(2019)18-42-03

朱蕾（1986.1-），女，工程师，就职于陕西汽车集团有限责任公司技术中心，从事新能源动力电池系统热管理相关的仿真和测试工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.18.015