纯电动汽车用动力电池组热特性研究

车翠翠　唐玉峰

摘 要：分析了锂离子动力电池的发热机理，得出电池发热与电动势温度系数、电池充电状态（SOC）值、电池内阻和电流倍增率等因素有关。通过实验研究了三元锂离子电池在不同环境温度下的重要性能指标，结果表明：放电容量随环境温度的升高而增大，随放电速率的增大而减小；低温时直流内阻明显增大，放电内阻大于充电内阻；从放电效率曲线获得电池正常运行的参考温度范围，可为电动汽车电池热管理系统的开发提供参考。

关键词：纯电动汽车 三元锂离子电池 环境温度 电池热管理

常规引擎产生的尾气会造成环境污染，温室效应和气候变暖。在各种电力车辆中，使用最多的就是蓄电池，锂离子电池在运行时不可避免要产生一定的热量，其温度的高低直接关系到电池的性能，对不同环境下的锂离子电池特性进行分析将有助于推进电池热管理技术的发展，进一步开发高效清洁的新能源汽车[1]。

目前，对锂离子动力电池热特性的研究主要集中在动力电池加热和冷却模型的理论研究，以及不同环境条件下动力电池性能的实验分析。锂离子动力电池的重要性能指标与电池发热机理之间的关系尚未得到深入研究[2]。

本文主要针对3.67 V/50 ah的三元锂离子电池进行实验从理论和试验两个角度，对各种工况下的电池性能进行了研究，为电池热管理提供了依据。

1 锂离子电池的发热机理

锂离子电池的热量来源主要是电池本身产生的热量和与外界温度的热交换两个方面。

1.1 锂离子电池的发热

在实际分析中，一般采用Sato等人提出的实验分析方法，该方法认为电池本身的加热主要是指电池内部电化学反应的熵变产生的可逆热Qr、欧姆内阻热QJ和极化内阻热QP。除了上述三个热源之外，在电池充电和放电期间电池会产生一定的副反应热Qs，但在车辆正常使用时，Qs很低，可以忽略[3]。因此在充电和放电期间，锂离子电池的总发热量Q为：

（1）

式中：F为法拉第常数；T为温度；E为电池电动势；I为充放电电流；R为电池总内阻。

在评估锂离子动力电池的发热时，可以通过实验获得电池的电压损失，从而获得电池的总电功率。

1.2 锂离子电池的热交换

锂离子电池的传热方式可分为三类：热传导、热对流和热辐射。通常，只需考虑热传导和热对流的影响[4]。锂离子电池内部产生的热量，通过导热的方式传递到电池的表面，再与外界环境进行对流换热，传热过程所传递的热量可由下列方程确定：

（2）

式中：Φ为传递的热量；k为传热系数；A为电池的表面积；（tf1-tf2）为冷热流体平均温差。

通过对锂离子电池发热机理的分析和计算，发现三元锂离子电池在室温下能及时释放自身热量。但是，随着外界环境的改变，电池的性能也会随之改变，从而产生热。方程式（2）表明电池的对流换热与室温有很大的关系。根据以上因素，将在不同的环境温度下进行电池性能的测试[5]。

1.3 温度对电池特性影响分析

在电池容量、电池内阻等因素一定的条件下，环境温度对电池性能有着非常显著的影响。为了确保电池在合适的温度范围内正常工作，并确定其热管理的控制指标，有必要分析其在不同工作温度下的工作特性。

1.3.1 温度对锂离子电池容量影响

将新到货的锂离子电池置于室温下1个小时，并释放到一定的电流，直到电池电压达到最终电池电压，并计算电池功率。下图基于现有的锂离子动力电池研究成果，得到了不同环境温度和放电比下锂离子动力蓄电池的容量保持率曲线。

从测量结果可以看出，锂离子电池的容量对温度变化非常敏感。在低温环境下，锂离子电池的容量严重下降，随着温度的升高，电池的容量逐渐增加。在室温（以下）下，容量随温度升高而明显变化，但当温度超过20℃时，容量变化逐渐减缓。因此，锂离子动力电池应避免在温度过低的环境中工作，并应为低温环境中的电池组制定合理的加热和绝缘策略[6]。

1.3.2 温度对锂离子电池内阻影响

由于内阻存在会导致电池发热现象，内阻过高极易引发热失控，因此有必要对内欧姆电阻和内极化电阻进行分析。

锂离子电池内阻与温度、SOC、充放电比等因素密切相关，主要讨论了不同工作温度下电池内阻与SOC的关系[7]。根据现有的研究结果，采用峰值功率测试方法检测电池的内阻，电池在高电流下放电30秒，在基本电流下放电1050秒，电池SOC值降低10%，以此类推，直至SOC值为0。图3为本试验中放电电流的变化情况。

测量并记录1、2、3处的电压和电流，测量的欧姆内阻和极化内阻为：

式中，V1为一个蓄电池电压；V2为两个蓄电池电压；V3為三个蓄电池电压；△I是指大电流和基本电流之间的差异。

蓄电池的内阻为：

采用此方法对不同环境温度下的锂离子动力电池的内电阻进行了测试。

通过对实验数据的分析，发现锂离子电池的内阻随着温度的升高而降低。这是由于随着温度升高锂离子电池中的电化学反应速率加快，正、负两种电极的运动速率提升，从而使电化学极化反应减小。研究发现，在负荷条件下，内阻值和SOC值在大于0.2的情况下几乎没有变化，而小于0.2的内阻值会迅速增加。因此，在实际运行中，应尽量避免电池在低负荷条件下工作。同时可发现，电池的内阻几乎是恒定的，没有过放电，因此在今后的研究中可以近似地将其视为一个固定值[8]。

2 锂离子电池热特性研究

采用实验的方法，对不同温度下锂电子电池的放电容量、内部直流电阻、放电效率等关键参数进行了测量与分析。

2.1 环境温度与放电容量

在室温下用1C的电流将电池放电至截止电压，静置1h将其再充电至4.25V，随后在1个小时内用恒压充电到2.8V。将充好电的蓄电池放置在高低温测试箱中2小时；在此段时间内，记录不同温度下电池的放电能力分别为0.1C、0.3C、1C、2C、3C、4C时，达到2.8V的单电压。

实验发现，随著环境温度的增加，电池容量增大。图5所示，当多次放电时，电池的初始放电电压呈递减趋势。在25℃以下，放电能力稍有降低，并能获得更大的释放，当环境温度超过25℃时放电能力均较高且较为稳定。

2.2 环境温度与直流内阻

采用混合脉冲功率特性测试（HPPC）技术测量电池内部电阻。按照2.1节中的测试方法，将电池放入空气中充电，然后放置到位。在1/3C恒定电流下，将SOC电池调节到0.9，放置1小时，然后在10秒钟之内记录下放电前后的电压和电流；搁置40s，再充电10秒，记录电流和电压在充电前后的变化；接着在1/3 C的恒流下持续放电，直至放电功率达10%（DOD）1小时。循环“以1/3C恒流放电，调整电池的SOC值为0.9，搁置1h”，直至80%的总放电。其中，电池SOC值为0.8，0.7，0.6，0.5，0.4，0.3，0.2，0.1；工作环境为-25℃，0℃，25℃，40℃[9]。

研究发现，随着温度的增加，电池内部电阻逐渐减小，但其内部电阻比带电时要大。

从图6可以看出，当温度为25～40℃时，电池内阻在不同SOC条件下变化不大；当温度为0～-25℃时，SOC值在0.4～0.9范围内具有很小的内阻，但当SOC值小于0.4时，内阻随着SOC值的增加而增加明显。

从图7可以看出，在电池充电期间，在0、25、40℃的环境温度下，电池内部电阻的变化比较小；温度为-25℃时，电池的内部电阻很高。在SOC值低于0.4时，电池内部电阻增加显著。

2.3 环境温度与放电效率

在特定的放电状态下，电池实际输出功率与额定功率之比即为放电效率。考虑到各种损耗和不可逆因素，实际上电池的输出能力约为80%。在此基础上，结合电池寿命，可确定电池的最佳工作温度范围。试验方法与2.1节相同，使用1C的方法对电池进行放电，并在不同温度下进行试验。

放电效率的测定方法与2.1节相同，采用1C的放电电流方法对电池进行放电，记录不同温度下的数值。从图9所示的结果来看，在环境温度小于-15℃时和大于53℃时，电池的放电效率较低。这是由于在低温放电时，电池内部电阻较大，导致电池电压提前进入分断期，影响放电能力；在高温时，电解质浓度太低，造成了电池材料的不可逆衰减，放电能力变差。此就放电效率而言，应尽量保证锂离子动力电池的工作温度在0℃～45℃之间。

3 结语

结合锂电子电池的发热及传热特点，对不同环境温度下的锂离子三元电池主要性能参数进行了测量与分析，得出：第一，低温时电池的放电容量衰减明显，随温度的升高放电容量快速增长，在常温下比较稳定，高温时增加放缓。第二，在不同温度下，在室温、高温时，内部充放电电阻值都比较小，且变化不大；在低温条件下，随着SOC的降低，充放电的内部电阻也随之升高。根据蓄电池的受热机制，蓄电池的内部电阻和极化内阻均会增大，从而增大蓄电池的热负载，从而影响蓄电池的性能、安全性和使用寿命，从而给蓄电池的热管理带来一定的难度。第四，根据环境温度和放电效率曲线，结合以上研究结果，可以看出0～50℃应该是汽车锂离子电池的合适热管理设计温度。

备注：本文系山东交通学院博士科研启动资金资助项目（BS2018043）研究成果。

参考文献：

[1]李伟娟.纯电动汽车动力电池组布置效率提升方法[J].汽车实用技术，2022，47（12）：21-24.

[2]武雅丽，伍川辉，于兰英.电动汽车模块化动力电池组的散热分析[J].机械设计与制造，2022，（07）：135-138.

[3]Noboru Sato，Kazuhiko Yagi.Thermal behavior analysis of nickel metal hydride batteries ofelectric vehicles[uJ].JSAE Review，2000，21：208-209.

[4]尹揚俊.电动汽车动力电池组火灾预防及对策[J].今日消防，2021，6（05）：131-132.

[5]伍川辉，武雅丽，吴文海，于兰英.电动汽车模块化动力电池组的低温预热分析[J].舰船电子工程，2021，41（03）：107-110+149.

[6]林金源，魏小红.纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能分析[J].时代汽车，2020，（17）：103-104.

[7]王延宁.纯电动汽车动力电池组液冷系统优化及冷却性能研究[J].重庆理工大学学报（自然科学），2020，34（06）：83-89.

[8]程清伟.电动汽车动力电池组SOC均衡控制算法仿真[J].计算机仿真，2020，37（04）：87-90+177.

[9]王亮，韩旭，张明辉，王秀春.电动汽车动力电池组相变材料冷却的数值模拟[J].河北工业大学学报，2019，48（01）：57-62.