电动汽车锂离子电池温度性能研究

2022-05-25周礼

专用汽车 2022年5期

周礼

摘要：我国汽车产业起步较晚，但在电动汽车产业快速发展的背景下，我国电动汽车产业实现了“弯道超车”。在电动汽车生产制造过程中，锂离子电池作为其核心构件，其温度性能对于电动汽车整体性能具有直接影响，所以必須明确锂离子电池的具体性能情况。对电动汽车锂离子电池温度性能进行深入的研究与分析，并提出合理的意见和措施，旨在进一步促进电动汽车产业的发展。

关键词：电动汽车;锂离子电池;温度性能;技术因素;优化措施

中图分类号：U469.72 收稿日期： 2022—02—18

DOI： 10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.05.005

1锂离子电池概述

锂离子电池是一种二次电池，即充电电池，它主要通过锂离子在正极和负极之间的移动进行工作。在充放电过程中，锂离子在两个电机之间往返嵌入和脱嵌：在充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质进入负极，从而处于富锂状态，放电时则相反。

锂离子电池为锂系电池的重要组成部分，手机、笔记本电脑等使用的都是锂离子电池，通常被人们称为锂电池，电池一般采用含有锂元素的材料作为电机，是现代高性能电池中的重要组成部分。真正的锂电池因为危险性较大，所以基本不用在人们日常使用的电子产品中"。锂离子电池因其优越的性能逐渐在电动汽车中使用，成为发展电动汽车产业的助力"。图1为锂离子电池的工作原理图。

综合来看，锂离子电池具有以下优点：

a.电压较高。锂离子单体电池的工作电压能够达到3.7—3.8 V，是Ni—Cd以及Ni—MH电池的3倍左右。

b.比能量较大。锂离子电池的比能量能够达到550 W—h/kg左右，也就是材料能够达到150 mA—h/g以上的比能量，接近锂离子电池理论比能量的90%。

c.循环寿命较长。通常情况下，锂离子电池的循环使用寿命能够达到500次以上，部分优质锂离子电池能够达到1000次以上，其中磷酸铁锂电池能够达到8000次以上，针对小电流放电的电器循环使用次数还有所增加。

d.安全性能较好。使用安全一直是困扰电池产业发展的重要问题。作为锂离子电池前身的Li—ion电池，因为其中的金属锂很容易出现短路问题，使其应用受到限制。Ni—Cd电池存在记忆效应问题，电池使用受到很大影响。相比之下，锂离子电池具有无公害、无记忆效应的优势，能够大大提高使用安全性。

e.充电速率较高。1C充电30 min容量能够达到标准容量的80%以上，磷铁锂离子电池可以实现充电10 min达到标准容量的90%左右，在充电速率方面具有很大优势。

f.工作温度。锂离子电池的工作温度为—25～45℃之间，且在电解液技术以及正极技术的发展下，有望达到—40～70°C之间[3。

2温度对电动汽车锂离子电池的影响分析

锂离子电池因其能量密度优势、循环寿命优势以及功率性能优势，在化学储能领域获得了很大成功，尤其是在电动汽车快速发展的背景下，在动力电池领域取得了广泛应用。在具体应用过程中，由于我国各地区的气候差异较大，东北地区温度较低，南方地区温度较高，这种较大的温度变化将对锂离子电池的性能产生一定的影响。

近年来，部分研究人员研究了环境温度变化对锂离子电池功率性能的影响，分析发现，温度对于锂离子电池放电容量的影响较小，但是对于锂离子电池功率性能会产生很大影响。

通常情况下，锂离子电池最大放电功率会受到多种因素的影响，比如时间、截止电压等。根据相关规定，锂离子电池在放电过程中不降低到特定截止电压对应的最大功率为其最大放电功率，所以需明确锂离子电池的截止电压特性与基本参数，考虑到截止电压参数对最大放电功率的影响，依据截止电压对锂离子电池的放电功率进行优化。同时，电池的SOC（即荷电状态）以及环境温度会对锂离子电池倍率性能产生很大影响。

温度变化会对电动汽车锂离子电池的充电以及放电性能产生直接影响，根据相关厂家的试验情况来看，环境温度太高或者太低均会对锂离子电池的特性产生直接影响，例如，导致锂离子电池电压下降、容量下降等。

通常情况下，锂离子电池的环境温度需要控制在10～40C的范围内，才能够保证键离子电池的性能最大化发挥。部分研究发现，在充电电流为5 A的情况下，—25°℃的充电时间相比于25℃的充电时间下降约为63%，所以低温会降低锂离子电池的充电时间，虽然低温环境对于锂离子电池放电性能影响较小，但是会缩短锂离子电池的使用寿命。

同时，温度对于锂离子电池放电性能也具有一定影响，主要体现在放电容量和放电电压方面。在温度降低的情况下，锂离子电池内阻逐渐增加，电化学反应速度不断下降，极化内阻迅速提升，锂离子电池放电容量则会降低，最终导致电动汽车锂离子电池功率以及能量输出受到一定影响。

3锂离子电池温度性能的试验分析

3.1单体电池充放电实验平台搭建

为了明确电动汽车锂离子电池的温度性能，准备电池充放电设备DigatronBNT200—0100ME，该设备充放电电压为0～100 V，充放电电流为200 A，测试精度能够达到+0.2%范围内。首先，环境温度通过立式恒温恒湿控制器保持恒定，该设备温度控制范围为—55～150C，温度控制较为准确，基本不会出现误差问题。其次，锂离子电池在充放电过程中，温度变化由测温仪对其不同点位中的温度进行测定。此外，测试锂离子电池为我国某企业生产的硬包50A—h能量功率兼顾型的磷酸铁锂离子电池。

3.2温度对于锂离子电池放电电压的影响

为了明确锂离子电池在不同环境温度下的放电电压性能，本次试验在常温环境下进行横流充电指导截止电压停止，步骤及要求如下：a.充电时倍率为0.3 C，截止电压规定为3.65 V，之后以恒压3.65 V方式充电，直到充电电流低于1 A为止，充电结束;b.充电完成后，将锂离子电池在恒温箱中静置3 h，最后分别以某倍率进行恒流放电，直到截止电压为2.5 V，具体来说，在—40°C、—20°℃、0°℃、20℃以及40℃环境下，分别采用0.5 C和1C倍率进行恒流放电。

根据试验结果可以看出，在锂离子电池放电倍率条件相同的情况下，随着环境温度的不断下降，锂离子电池放电过程中的电压逐渐下降，且在0～40℃范围内，电压下降速度緩慢，低于0C之后，锂离子电池放电电压出现明显下降趋势，直至—40C时离子电池开始无法正常放电。其中，在—20℃和1℃放电环境下，锂离子电池的放电曲线出现了明显的双台阶形状，在20C时其放电电压达到最大值。

由此可见，温度对于锂离子电池的放电电压会产生直接影响，较低温度会导致锂离子电池无法正常放电。

3.3温度对于锂离子电池交流内阻的影响

在测量锂离子电池的内阻时，对锂离子电池正极和负极施加固定频率的低电压和低电流，之后按照电压和电流的响应判断其内阻情况。

本次试验使用HIOKI BT3564电池测试仪，采用交流四端子测试方法对锂离子电池的交流内阻进行测定，测量条件设定如下：电压为5mV，频率为1 kHz，测量时间为6 h。根据测量结果，在一定的温度变化范围内，锂离子电池满电情况下的1h内，内阻随着时间的提高而增加，之后内阻保持稳定状态。

由此可得，将试验中单体锂离子电池放置在恒温箱2h及以上时间，能使锂离子电池进入最稳定状态。

3.4 锂离子电池温升特性分析

为了明确锂离子电池在不同条件下的温升特性，本次试验将分别在0.5 C、1C以及2 C三种不同倍率下对锂离子电池进行放电。首先，在25℃的温度环境下，对锂离子电池以0.3 C的倍率进行恒流放电，放电截止电压为3.65 V时，再以恒压3.65 V继续放电，直至充电电流低于1 A停止放电。之后将锂离子电池静置在恒温箱中3h，再分别采用0.5 C、1 C以及2 C倍率对锂离子电池进行恒流放电，对0.5C、1C以及2C放电倍率下的温度变化进行曲线绘制。

根据试验结果可以看出：在放电倍率不断增加的情况下，锂离子电池表面温度提升速度越高，则放电时间越短，锂离子电池的放电稳定性逐渐下降;针对电池内阻不同单体的锂离子电池之间具有一定的差异的情况，模块内热量分布的不均匀性则会增加。

本次放电试验结束时，0.5 C、1 C和2 C放电倍率对应的放电温度分别为39.41°C、42.40C以及53.85°C。

3.5锂离子电池循环性能分析

在本次试验中，采用脉冲放电的方式对锂离子电池在15°℃、25℃以及35C条件下的功率性能进行分析，这种放电方式能够快速获取锂离子电池的最大充电功率、最大放电功率以及循环性能。在试验过程中，首先采用5C倍率放电10 s，之后静置40 s，再采用3.75 C倍率对锂离子电池充电10 s。

锂离子电池的功率性能计算流程为：

a.测量锂离子电池在充放电过程中的最低或最高电压与开路电压差值。

b.将差压差值除以充电电流或放电电流进行计算，从而获得电池内阻电流。

c.根据公式Pp=VMin—IDisMax=VMin（OCVDi—VMin）/Rpi，以及Pc=VMaxIchg Max=VMax（VM-OCVc）/Rcng，对不同锂离子电池在不同SOC下的最大功率进行计算。其中，V表示最低截止电压，V表示最高截止电压。

根据试验结果可以看出，温度会对锂离子电池的循环性能产生直接影响，在温度不断升高的情况下，循环老化速度会逐渐加剧。

4结语

本文全面阐述了锂离子电池的基本情况，并分析了温度对锂离子电池性能的影响，最后以试验的方式对锂离子电池温度性能进行了研究，并得出相应研究结论。希望该研究结论能够对我国电动汽车以及锂离子电池研究领域起到借鉴作用，并能促进相关产业的快速发展。

参考文献：