一种圆柱形锂离子电池的热特性实验分析

陆春　胡建

摘 要：本文通过对一种圆柱形锂离子电池在不同温度下的充放电试验，记录电池表面温度、分析该锂离子电池的热特性，对其性能进行了评估。通过试验分析比较了在不同温度、充放电倍率下电池的温升情况和温度分布，以及温度对电压、充放电容量和电池内阻的影响。为电池成组和电池热管理系统的设计提供了实际的试验支持，通过试验获得的电池温度场分布可为电池的有限元分析提供可靠的实验验证。

关键词：锂离子电池;温度试验;电池热特性;电池热管理

1 概述

锂离子电池作为电动汽车较为理想的能量存储载体成为电动汽车领域应用广、发展快的电池之一，其大规模、大容量的应用模式要求对其电池使用特性进行全面深入的研究[1]。由于动力电池作为能量存储单元需要成组应用，在电解质、隔膜、包装工艺等因素的影响下，其电池工作热特性是影响动力电池性能、整车性能及安全性的重要因素[2]。

在高温高功率的运行工况下电池充放电产生的热量无法及时散出，会引起电池内部热量的积累，温度的上升，如不加以控制会导致电池发生热失控，引起电池的燃烧或爆炸从而引发安全事故[3]。

在低温下电池内部的电化学反应速度变慢，电池内阻增大，使得电池在低温下放电能力下降，特别是大电流放电能力，同时低温下电池对电流的接受能力也有较大程度的下降，使得电池低温下无法充电[4]，或者只能使用小电流长时间充电，这直接影响到电池的运行状况和运营成本。

因此，拥有良好热特性的动力电池单体是电动车辆正常高效运行的保证，对电池单体的热特性试验研究可为电池的热管理系统以及电动汽车整车控制系统提供可靠的依据[5]。

2 电池热特性试验

本次试验使用的电池为某圆柱形电池，其外形如图1所示，其基本材料特性见表1。

利用导热硅胶将温度传感器（精度±2℃）粘贴在电池表面，4个单体上共排布了16个传感器。传感器粘贴如图2所示。

该试验为电池的热特性试验，分别在外界环境温度-10℃、0℃、25℃和45℃的条件下，对四个电池进行0.5C、1C、2C和3C倍率的充放电的试验，记录了充放电过程中的电流、电压以及温度等参数的变化。

3 试验结果分析

3.1 电池放电温升特性

（1）不同倍率下电池单体放电温升

取电池单体上的温度传感器的平均值为电池单体温度，比较在-10℃下不同倍率的溫升，结果如图3所示。在-10℃下，随着放电电流的增加，电池的温度上升越快，并且温度极值越高。放电初期电池的温升较快，紧接着温升幅度放缓并在后期的温度快速上升。温升放缓的主要原因是放电过程温度上升，电池内阻随之降低;放电后期容量降低使得内阻增大的幅度大于温升使得电池内组减小的幅度，而导致温度快速上升。

（2）不同环境温度下电池单体放电温升

将放电终了时刻的电池温度与其初始温度进行对比，通过对4种试验温度下4种放电倍率绝对温升的比较，从图4可以看出，电池温升随着温度的降低而增加。3C放电时，-10℃、0℃、25℃和45℃下电池分别上升15.2℃，14.3℃、9.6℃和7℃，这说明放电环境温度越低，电池用于生热损耗的能量越多，电池放电的效率降低越明显，不同温度下放电效率见表2。由该表可得环境温度越低电池的效率越低，为提高电池的使用效率，要尽量避免低温下使用电池。

（3）电池表面不同位置的温度变化

对单体电池在3C放电时不同位置的温度变化进行监测，比较结果见图5和图6，可以看出单体电池在放电时温度最高的是正极，电池表面与负极的温度相对接近，负极与正极的温差与放电温度直接相关，环境温度低时，差值大，单体表面的温度均匀性变差，从而影响电池的性能，该特性说明应尽量避免低温下使用电池。

3.2 温度对电池性能的影响

3.2.1 对电池充电性能的影响

（1）不同温度下充电性能比较

由表3不同温度下1C倍率充电性能比较可得，低温下电池温升速度快，达到温度最高点的时间提前，说明恒流充电时间缩短，但是随着温度的提高充电效率提升不明显，低温下虽然电池很快进入了恒压充电阶段，但长时间的恒压充电也能保证有足够的能量充进电池。

（2）低温下不同倍率充电性能比较

由表4中-10℃下四种倍率的充电结果进行的对比可以看出，随着充电倍率的增加，充电时间不断缩短。恒流充电的时间明显缩短，恒流/恒压（CC/CV）的值从89%降低到1.4%，充电效率有2.2%的提高。

3.2.2 温度及放电倍率对电池端电压的影响

（1）温度对电池端电压的影响

图7为不同温度下0.5C放电电压变化曲线，图8为不同温度下3C放电电压变化曲线。

对比不同温度下不同倍率的放电端电压的变化结果可以得到以下结论：

1）大倍率放电时，电池的电压平台低。例如25℃下3C放电的电压平台约为3.1V，0.5C的放电电压平台约为3.3V;提高的电压平台有助于在输出恒定功率时降低放电电流，降低温升，延长放电时间;

2）低温大倍率放电的电压曲线出现明显的波动：初期电压从3.3V下降到2.5V后在放电过程中又上升到2.7V。这是因为环境温度低使得放电初期电压下降迅速，但由于内阻增加导致生热量增加，提高了电池温度，正极电位变正，负极电位变负，电池电压升高;电池的3C放电效率由25℃时的100.3%降低到-10℃时的77.9%，放电能量降低了39.7%，这部分能量以热能的形式散失。

（2）放电倍率对电池端电压的影响

图9和图10为四种放电倍率25℃和-10℃在的放电电压随时间的变化曲线。

对比同一温度下不同倍率的放电端电压的变化结果可以得到以下结论：

1）同一温度下，放电电压平台随着放电倍率的增加而降低，这一趋势在低温下更加明显，25℃下3C放电电压平台为3V，比0.5C的放电电压平台低了0.3V，而-10℃下这一差值扩大为0.4V，而且没有明显的放电电压平台;

2）低溫下大倍率放电，电压曲线在初期下降后由于电池的自发热有明显的回升，对放电性能有一定的提升;

3）随着放电温度的降低，相同倍率的放电时间缩短，-10℃下的0.5C放电时间为25℃下的72%。

3.2.3 温度对可用容量比率的影响

可用容量比率为电池可用容量占额定容量的比率，表征一定温度条件下能够输出的电池能量，与电动车辆的续驶里程成正比。

由图11可用容量比率与温度的关系中可得以下结论：

（1）温度从-10℃上升到25℃的过程中，电池的放电性能不断上升，可用容量比率不断上升，因此低温下对电池组进行加热将延长整车的续驶里程;

（2）温度从25℃上升到45℃，两个温度下放电容量比率（主要与倍率和时间有关）基本相等，电池的放电时间基本一致;但增加的温度改善了电池内的电化学反应，在相等的时间内放电能量提高说明25℃-45℃是测试电池适宜的温度区间。

3.2.4 温度和荷电容量对电池内阻的影响

实验过程中主要分析温度和电池荷电量对电池充、放电内阻的影响情况，试验过程监控了四个单体的内阻变化情况，标记为R1、R2、R3和R4。间断测试电池内阻值随着充放电过程中SOC值的变化而变化的情况，并将不同温度下同一SOC值时的内阻值进行比较得到下面的图表。

（1）内阻与温度的关系

对图12和图13中电池放电内阻随温度变化的规律进行分析可以看出，电池内阻与温度成负相关关系，温度越低，电池内阻越高，根据上面对电池内阻重要性的分析，在电池的实际使用中需要对电池进行温度管理，降低电池在放电过程中的内阻，提高电池的放电效率。

单体电池之间内阻的变化趋势一致，但阻值上平均有3的差值，电池的电阻一致性有待提高。并且充电内阻与放电内阻的变化趋势一致，因此需在充电过程中保持电池的适宜温度，提高充电效率。

（2）内阻与SOC的关系

电池的充电内阻随着电池荷电量的增加而降低，充电末期电阻明显增加，为了提高充电效率，建议在实际使用中电池的荷电量保持在40%～80%，降低内阻生热耗散的能量，见图14。

图15显示在放电末期电阻值会有较大的升高，原因是放电后期，电池电极的孔隙率下降，影响锂离子在电解液相中的流通，导致内阻在深度放电时会迅速增加，同时这也是在放电末期电池的生热上升明显的原因。

4 结论

通过对26650 圆柱形磷酸铁锂电池的实验以及其实验数据的分析，可得如下结论：

（1）电池在-10℃和0℃下3C倍率分别放出68.4%和81%的能量，损耗的能量用于热量耗散，电池的绝对温升随着放电倍率降低和温度的升高而降低;

（2）该电池的充电性能随着温度降低下降明显，-10℃下的1C充电时间长达210min，CC/CV仅为1.63%，影响了电动汽车的快速充电性能;相比于放电，对电池的充电过程进行温度管理同样重要，通过缩短同样充电倍率下的充电时间，在达到同样充满电能的目标下，可以减少充电过程中用于热耗散的能量，节省电网的电能;

（3）测试电池在25℃之前的放电容量和可用容量比率不断上升，到25℃之后，温度继续升高，放电容量上升的幅度很小，电池最优工作温度范围是25℃～45℃;

（4）该电池的内阻随着温度的上升而降低，低温下电阻上升明显;在充放电过程中，电池内阻在SOC值为40%～80%的范围内变化很小且阻值很低，建议电池在此最优荷电范围内工作。

通过实验对该电池的热特性进行了一个客观的评估，并为其随后的电池成组设计以及电池热管理控制提供了实验数据支持。

参考文献：

[1]申明，高青，王炎，等.电动汽车电池热管理系统设计与分析[J].浙江大学学报（工学版），2019，53（7）：179.

[2]周益邦，李维军.车用锂离子电池加热系统研究进展[J]. 电源技术，2019，43（4）：680.

[3]廖智伟.液冷式18650动力锂电池组温度场分析及优化[D].重庆交通大学，2018.

[4]陈宏珍.电动汽车用锂离子动力电池组热管理数值研究[D]. 天津大学，2014.

[5]王恒，张伟波，黄芳芳等.一种电动汽车电池热管理优化方案[J].机器视觉，2019，9：66.