锂离子电池开路电压温度系数研究
2019-11-06朱蕾乔雪王滢邢超
朱蕾，乔雪，王滢，邢超
（陕西汽车集团有限责任公司技术中心，陕西 西安 710200）
前言
锂离子动力电池因其能量高、体积小、可靠的特点成为纯电动汽车的动力源[1]。但由于市场的锂离子电池厂家质量良莠不齐，存在较大的安全隐患[2]。为了了解动力电池在使用过程中的温度变化需要对单体电池发热情况进行判断。
本文主要从Bernardi 简化生热模型出发，通过测试和数学计算的方法获得锂离子电池的OCV 温度系数随SOC 的变化的多项式。
1 Bernardi 简化生热模型
式中：Q 为热生成功率密度；U 为工作电压；Uoc为电池的开路电压；T 为绝对温度；V 为电池体积。
公式（1）中右侧的第一项为不可逆阻抗热，并且该值总是正的；第二项为可逆反应热，这一项可正可负。电池发热的主要来源为：可逆反应热、不可逆阻抗热、电池内阻副反应热、以及由于浓度梯度变化引起的混合热。可逆反应热和不可逆阻抗热是占电池发热量的主要部分，不可以被忽略[3-4]。
2 测试过程
2.1 试验对象
某磷酸铁锂电池参数如表1 所示。
表1 电池模块技术参数
2.2 电池测试传感线布置
电池测试传感线布置如图1 所示。
2.3 试验用仪器及设备
表2 试验用仪器和设备
3 试验内容
3.1 电池预充放电
在常温状态下，对电池进行充放电，具体步骤如下：
（1）以0.3C（A）电流恒流充电至企业技术条件中规定的充电终止电压时转恒压充电，至充电电流降至0.05C 时停止充电，充电后搁置1h。
（2）以0.3C（A）电流放电至单体电池的放电终止电压，计量放电容量（以Ah 计）和放电能量（以Wh 计），放电后搁置1h。
（3）以0.3C（A）电流恒流充电至企业技术条件中规定的充电终止电压时转恒压充电，至充电电流降至0.05C 时停止充电，计量充电容量（以Ah 计）和充电能量（以Wh 计），充电后搁置1h。
重复步骤（2）～（3）五次。
3.2 开路电压温度系数测试
测试初始状态，电池单体为满电状态。
（1）调整调温调湿箱温度，按照25℃→15℃→5℃→35℃→25℃的顺序每1.5h 变换一次温度，并实时测量电池开路电压和电池表面、电极温度。
（2）温度变化一个周期后，在室温状态下，以0.1C（A）放出额定容量的10%。
（3）重复步骤（1）～（2），记录电池开路电压和电池表面、电极温度的变化，直至电池的SOC=0。
4 试验结果
4.1 电池单体预充放电测试
根据3.1 中电池预充放电中测试方法，对电池单体进行室温下0.3C 预充放电测试，为电池单体开路电压温度系数测试做好状态准备。得到电池单体充放电容量（Ah）、充放电能量（Wh）。
4.2 开路电压温度系数测试
根据3.2 中开路电压温度系数测试方法，对电池单体开展了测试。通过测试，得到电池单体在不同SOC 下，在调温调湿箱温度循环25℃→15℃→5℃→35℃→25℃中的开路电压值及温度采样数据。
图2 SOC=100%/0%时，电池单体在调温调湿箱温度循环中的开路电压值变化情况
图2 为电池单体在温度循环中，SOC100%和0%下，开路电压变化曲线。随时间及温度变化，试验测得开路电压变化趋势明显。开路电压会随着时间的增加有一个微小的斜率，如图2 中虚线所示，该倾角可正可负，且与温度无关，这是由于上一次的SOC 变化所引起的电芯松弛的结果。
根据测得的不同SOC 下，开路电压与温度值，可计算得到不同SOC 下电池单体的开路电压温度系数。数据处理时，取温度循环中，每个温度点最后时刻所测得的开路电压值及电池表面平均温度为数据选取点，因为此时刻电池单体在相应温箱温度下保持时间相对较长，电池状态相对稳定。
图3 SOC=100%/20%时，电池单体开路电压温度系数拟合计算
由图3 可得到电池在不同SOC状态下的开路电压温度系数测试值，通过对测试值进行拟合可得到开路电压温度系数曲线方程，可为后续研究仿真计算提供依据。本次试验采用一个7 次方程对开路电压温度系数与SOC 的关系进行拟合，结果如图4 所示。从图4 中可看出开路电压温度系数试验计算值与拟合值之间的对比关系。
图4 开路电压温度系数-SOC 关系曲线
5 结论
根据试验测试得到电池在温度循环中，不同SOC 下，开路电压温度系数变化趋势明显。得到以下结论：
（1）在放电过程中，SOC 在70%～100%区间，随着SOC的降低，开路电压温度系数有缓慢下降；SOC 在40%～60%区间，随着SOC 的降低，开路电压温度系数有较明显上升趋势；SOC 在0%～40%区间，随着SOC 的降低，开路电压温度系数值下降趋势明显。
（2）当SOC 在0%～20%区间时，开路电压温度系数值为负数。由于开路电压温度系数直接决定了电池可逆反应热的正负，因此电池在放电时，电池内部反应在SOC＜20%后是放热反应。
