不同温度控制模式下的锂电池性能对比研究

汪铭磊，吴启超，黄 瑞，2，陈芬放

(1.浙江大学 能源工程学院，浙江 杭州 310027；2.浙江大学 能源与动力国家级实验教学示范中心，浙江 杭州 310027)

0 引言

锂离子电池因其具有能量密度高、工作电压平台高、无记忆效应、自放电率低以及使用寿命长等一系列优点，成为车载动力电池的优选对象。近5年，中国锂离子电池产量逐年上升，从2016年的78万万只到2020年的188.5万万只，年平均增加率25%[1]。性能测试和热管理方案是锂离子电池的研究热点。

锂离子电池工作过程中对温度的高敏感性决定了其需要热管理方案的介入以更好地管理温度。Hirano H，Tajima T等人采用液体挥发式方案进行热管理，作者选择沸点在34 ℃的氢氟醚，电池温升最高2.5 ℃，对照组风冷温升超过30 ℃[2]。Chen，Kaiwei等人采用水-乙二醇浸没式方案进行温度控制，通过液体浸没吸收电池热量，半导体制冷片带走热量。电池的整体温升1 ℃，对照组风冷超过10 ℃[3]。曹磊等人采用蛇形扁管液体流动传热进行热管理，设置初始温度为20 ℃，电池2 C放电下最高温升2.5 ℃[4]。不难发现，热管理研究人员并没有一个很明确的控温指标，仅仅针对一个较大的电池最佳性能工作温度区间进行控制[5-6]，或是更加关注温度对电池一致性的影响[7]。

而电池性能探究更多的是基于环境温度控制。S.S.Zhang，P.Keil，A.Jossen等人研究了不同充电方式对老化的影响，电池所处环境温度固定为23 ℃[8-9]。S.Barcellona等人研究放电倍率对电池老化的影响，分析方向了在恒温箱条件中不同放电倍率下电池的温度变化[10]。高洋等人研究了不同充电应力以及不同SOC区间循环下的电池循环寿命，测试环境为25 ℃的恒温箱[11]。李哲等人在探究磷酸铁锂电池的基本性能时，设计了一系列单因素以及多因素耦合实验，因变量主要为环境温度、充放电倍率以及充放电截止电压[12]。

目前在电池系统上采取的热管理系统控制能力强，但缺少相应的性能数据，因为性能测试更多的是在恒温箱等条件下测试得到。因此本文希望通过测试环境温度控制下的电池性能和表面温度控制下的电池性能，来反映电池在不同温度控制方案下的性能差异，并为电池热管理系统设计提供数据支撑。

1 实验

1.1 实验装置

在本文中，环境温度控制通过恒温箱实现，表面温度控制通过一套自制的液冷装置实现。在后文中，凡是提到表面温度均是指在液冷装置中的实验结果，提到环境温度均是在恒温箱中的实验结果。恒温箱装置通过调节冷、热风流量仅控制内部环境的温度保持恒定。液冷装置如图1所示，该装置由恒温水浴箱、制冷器、外循环水路、电池固定装置构成。水浴箱自带加热棒，制冷器为半导体制冷片和散热器构成，电池固定装置为塑胶支架，冷却液为水-乙二醇混合物。附加外循环水路加强电池表面热传递过程，通过制冷器消除电池放电过程中以及水浴箱加热产生的热量。电池选用三星的N50E-21700圆柱形三元锂离子电池，标称容量4900 mAh，推荐工作温度23 ℃，允许最大放电电流2 C(9.8 A)。分别使用两种温度控制装置进行不同倍率下的电池放电温升实验，放电倍率选择分别为0.5 C、1 C、2 C，放电时间分别为2 h、1 h、0.5 h。实验初始温度固定为23 ℃，电池表面温度测量点为侧面中心位置，温度变化通过NI数据采集模块测量。

两种温度控制方案下的电池温升如图2所示，在恒温箱条件下，随着放电倍率的增大，电池温升陡增，在0.5 C、1 C、2 C倍率下，电池最终温升分别为7 ℃、12.4 ℃、27.9 ℃，而液冷装置中不同倍率下电池温升均在0.1 ℃以内。

1.2 实验方案

电池容量直接影响电动汽车的续驶里程，而准确的SOC估计更是人们在驾驶电动汽车时尤为在意的点。电池初始容量的准确性直接影响SOC估计的精确度，而电池容量又受温度、充放电倍率等多方面的影响。

本文在恒温箱以及恒温水浴箱这两种实验装置中分别进行环境温度控制和表面温度控制下的电池容量特性实验。后文统一使用surface temperature control consistent STCC指代表面温度控制；使用environment temperature control consistent ETCC指代环境温度控制。本次试验，电池充电条件均是在23 ℃恒温箱内搁置半小时后，通过恒流(2.45 A)恒压(4.2 V)模式进行充电，当恒压阶段电流下降至0.098 A时停止充电。实验变量为温度与放电倍率，温度调节范围为10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，倍率调节范围为0.5 C、1 C、2 C。分别将充满电的电池置于两套装置中静置一个小时使得电池热平衡，之后进行不同温度以及不同倍率下的电池性能测试。性能测试主要为1 C倍率下的标准容量测试以及不同倍率下的放电容量测试。

2 结果与讨论

2.1 标准放电容量对比

锂离子电池的工作温度区间为-20～60 ℃，适宜工作温度区间为20～45 ℃。但在不同温度下，两套装置中锂离子电池的标准放电容量存在很大差异。图3为两种温度控制方案下电池容量与温度的关系结果图。在恒温箱测试中，电池在10 ℃和50 ℃下容量相差200 mAh，接近5%；而在水浴装置中，10 ℃和50 ℃下的容量相差500 mAh，接近10%。图4是两种温度控制方案下容量变化与温度变化的关系。ETCC的电池在10～50 ℃的温度区间内相比STCC的电池容量分别增加了7.2%、5.0%、2.2%、1.9%、0.9%。单独的，10 ℃下，ETCC电池放电容量比STCC电池多了300 mAh，在50 ℃下仅相差45 mAh，而ETCC电池放电容量从10 ℃上升到50 ℃仅增大230 mAh。在10～50 ℃的温度区间内，STCC电池相较于环境温度不变的电池，其放电容量随温度的变化幅度更加剧烈，尤其是在区间前半段也就是温度较低范围内，每上升10 ℃，容量提升近200 mAh，接近恒温箱条件下40 ℃温差所带来的容量差异。

2.2 放电曲线对比

图5和图6为两种温度控制方案下不同温度时锂离子电池的标准放电曲线，为了方便比较，图7对比了10℃、30℃、50 ℃下两种控温方案下的放电曲线，图8为这三种温度下不同放电容量时的电压差。在图7中，相同形状曲线代表同一温度下不同实验装置中电池的放电曲线，且实验装置温度越高，该温度下的电池整体放电电压平台越高。在不同温度下，ETCC的电池整体电压平台均高于STCC的电池，但温度越高，这个差距就越小。为了更方便说明，此处定义当前温度下一温度为当前温度上升10 ℃的温度。在放电初期，ETCC的电池与STCC的电池电压下降趋势接近，但下降速度更小，且均未超出下一温度值的STCC的电池。随着放电的进行，同一温度下的两种控温方案电池电压差距逐渐变大，且当前ETCC电池电压开始超过下一温度的STCC的电池。从放电结束后两种方案下曲线的分布也可以看出，ETCC的电池分布更加紧密，在温度高于40 ℃以后几乎保持重合，而对于STCC的电池，虽然随着温度升高，曲线分布也变得更加紧密，但在50 ℃下仍有较大差距。这一方面意味着在低温度区间，环境温度不变与表面温度不变条件下的电池容量存在较大差异，随着温度升高，这个差异会逐渐减小，但仍不可忽视。另一方面，三元锂离子电池因工作平台电压高，所以其能量密度也较高。而从该图中我们不难发现，表面温度不变和环境温度不变条件下的电池放电电压平台存在较大差异，这一差异也会导致不同条件下的电池其放电能量存在较大差异，最终导致续驶里程的较大不同。

2.3 放电倍率影响

放电倍率的不同也会带来锂离子电池放电容量的变化，图9是电池不同温度时在两种温度控制方案下电池容量和放电倍率的关系图。从图中可以明显发现，ETCC电池在不同放电倍率的作用下其容量在任一温度下均显著高于STCC电池，并且放电倍率越大，二者容量差异越大。2 C放电倍率下，在10 ℃下二者相差1500 mAh，且50 ℃下的STCC电池容量仍小于10 ℃下的ETCC电池容量。放电倍率对ETCC电池容量的影响相对于STCC电池更小，尤其是在温度上升到30 ℃以后，放电容量几乎与放电倍率无关。而对于STCC电池，放电倍率对电池容量的影响不逊色于温度对电池容量的影响，电池容量随放电倍率的增大而显著降低，尤其是在30 ℃以下1 C倍率相较于2 C倍率的情况。从温度的影响看，在两套装置中都是在10～30 ℃的温度区间内，容量随温度的上升而显著增加，其中，STCC电池容量增长幅度远大于ETCC电池容量，而在40～50 ℃的温度区间内，ETCC电池容量基本保持不变，达到了最大值，且不同放电倍率下容量仍保持一致。而STCC电池容量仍随温度上升而增大，且放电倍率越小，容量越大，并且在50 ℃时电池容量仍未达到最大值。同时从50 ℃下的2 C放电容量看，STCC电池相较于ETCC电池来说仍偏小200 mAh，这说明STCC的电池，其对放电倍率的变化更加敏感，且通常认为的20～45 ℃温度区间并不一定是STCC下的电池最佳工作温度区间，同时2 C倍率下的电池对低温也更加敏感，温度低于20 ℃时，电池容量急剧减小(出于安全考虑，本实验未做恒温箱中50 ℃下的电池2 C放电实验) 。

3 总结

本研究中，通过液冷方案实现了不同温度以及不同放电倍率下电池表面温度的稳定控制，并在此基础上与环境温度控制下的电池性能测试形成对比，分析两种温度控制方案下电池的性能差异。因电池容量受其工作温度的影响很大，两种方案下的容量特性呈现出明显的差异，STCC电池容量随温度变化更明显，且低温下容量衰减急剧增加，1 C放电倍率下从20 ℃降到10 ℃容量衰减了4.2%，而2 C放电倍率下从20 ℃降到10 ℃容量衰减了24.2%，同样的2 C放电倍率下，ETCC电池仅衰减了0.9%。这一方面说明了温度对两种控温方案下的电池容量影响程度不一致，另一方面也说明放电倍率等其他影响因素在两种控温方案下对电池容量的影响规律也表现出很强的不一致性，STCC电池对外在因素的敏感性更强，且与环境控温下得出的结论存在差异，如随着放电倍率增大，ETCC电池容量在低温区(10～20 ℃)随之变大，在高温区(30～50 ℃)随之变小；而STCC电池容量在整个实验温度范围内均随放电倍率增大而减小，且温度越低幅度越大。