低温条件下锂离子电池电热性能研究

康云

摘 要：近年来，我国对锂离子动力电池的需求不断增加，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。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。

关键词：动力电池;低温;温升;低温放电

锂离子电池热失控原因主要集中在电解液的热不稳定性，以及电解液与正、负极共存体系的热不稳定性两个大的方面。锂离子电池热失控反应剧烈、热释放速率高并释放大量有毒有害气体，会在短时间对人体和环境造成危害。

1 电池包产热分析

对充满后的电池包进行放空，静置一段时间后再充满。分别在充放电结束后立即打开电池包上下盖，并使用热成像仪对电池包进行测量。从热成像结果上分析可知，在0.3C倍率下，電池外表面各部位最大差值在0.3℃以内，因此本文将电池包的温升作为一个整体来考虑。基于此，本模型的仿真对象为电池包的整体温升而非某个部位的温升。同时，为验证上述实验方法的合理性，在电池包结束充放电并开盖测量温度后，继续静置5h并监测其温度变化，发现其平均温度下降速率小于1℃/h，因此本文认为电池包工作结束立即开盖后测量到的电池包温度分布可以代表电池包正常工作时的温度分布。

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 三元聚合物锂离子电池实验现象及分析

3.1 0%SOC三元聚合物锂离子电池实验现象

开启电加热板加热，电池表面温度开始缓慢上升，加热至7min，电池表面温度为50℃，随后电池表面温度开始快速上升，加热至9min，电池表面温度为75℃。电池电解液于电池帽与电池壳密封处发生泄漏，附着于加热板表面，产生少量烟雾。电池电解液泄漏至11min，电池表面温度缓慢上升至92℃并趋于平稳。

3.2 30%SOC三元聚合物锂离子电池实验现象

电加热板加热开启后，电池表面温度迅速上升，并于4min时发生电解液的少量泄漏，电池表面温度为49℃。6min时，正极保护盖向外炸出，电解液出现泄漏，少量烟雾冒出。8min时，电池表面温度达到102℃，烟雾大量涌出，充满防爆箱空间9min时，电池表面温度达到118℃，随后电池表面温度快速上升，并于12min时到达最高值218℃，随后温度缓慢下降。

3.3 50%SOC三元聚合物锂离子电池实验现象

电加热板加热开启后，电池表面温度迅速上升，并于3min22s时到达70℃，在此期间于1min50s时发生电解液少量泄漏，伴随有少量烟雾冒出。7min时，烟雾停止冒出，温度缓慢上升。

3.4 100%SOC三元聚合物锂离子电池实验现象

在电加热板开启2min后，电解液开始泄漏，一直伴随大量烟雾冒出，电池表面温度迅速上升。5min24s时，电池表面温度达到85℃，电池发生剧烈爆炸，爆炸时间1.2s。反应结束后，发现碳粉布满测试箱内表面。电池除电池帽与电池壳密封处、同加热板接触面存在腐蚀现象，外观无明显损坏。

4 试验结果

4.1 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。

4.2 电池表面温度

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。

4.3 放电容量

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。

综上所述，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。

参考文献：

[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.