低溫自加熱設計提高鋰離子電池組性能的研究

沈川杰 李克峰 史佳超 趙建偉 謝巧

摘要：本文介紹了一種低溫45℃環境條件下使用的彈上鋰離子電池的自加熱設計方案，并通過低溫45℃環境條件的實際測試，結果表明彈上鋰離子電池組采用自加熱設計較不采用自加熱設計的電性能有顯著提高，從而滿足了技術指標的要求。

關鍵詞：鋰離子電池組；自加熱；電性能

1 概述

鋰離子電池以其比功率高、能量密度大、壽命長、自放電率低等優點，[1]在電子通訊[2]、新能源汽車[3]、運載火箭以及導彈等領域廣泛應用。然而，當鋰離子電池處于比較低的環境溫度中，電池的充放電性能會大大降低，導致電池無法正常工作。[4]本文以某彈上鋰離子電池組為研究對象，對比分析了該鋰離子電池組在45℃條件下采用自加熱功能和不采用自加熱功能兩種狀態下的電性能。

2 電池組方案設計

主要技術指標為：在45℃穩定6h后鋰離子電池組容量≥2Ah，工作電壓20.7～24.7V，工作電流3A。

21 電池堆設計

鋰離子電池組設計工作電壓要求范圍為20.7V～24.7V，采用6串單元鋰離子電池組合方式可滿足鋰離子電池組工作電壓的要求。單體電池采用低溫性能好的2.5Ah的圓柱形鋰離子單體電池，其工作電壓在3.46V～4.125V之間，該電壓區間的容量占總容量約70%，單體電池以4并連接方式組合而成，設計鋰離子電池組常溫容量約為7Ah，電池堆通過跨接片串并聯而成，其結構示意圖如圖1所示。

22 保溫及加熱電路設計

鋰離子電池組外殼與電芯堆之間采用厚度為4mm～20mm的硬質聚苯乙烯泡沫進行保溫，該材料具有強度較高，保溫性能好，耐腐蝕等特性，是理想的保溫材料。電池堆上下兩面粘貼薄型加熱帶（R1、R2，電阻值相同），溫度繼電器（K2）安裝在電池堆側面，控制加熱回路的自動開通，當溫度在22℃±3℃時，K2接通，當溫度到12℃±3℃時，K2斷開，鋰離子電池組外殼上設計有開關K1控制整個回路的輸出，開關K2控制整個回路的輸出，加熱供電原理如圖2所示。

23 加熱帶電阻設計

當鋰離子電池組內外溫差為20℃時，按照以往測試數據，其散熱速率約為10℃/h，電池堆比熱容約為1.0kJ/（℃·kg），電池堆和加熱帶重量約1.28kg，根據公式，

UIdt=Cpmdk（1）

為保證鋰離子電池組內部溫度不低于25℃，可計算獲得最低加熱電流，

I=Cpm/U·dk/dt=1000×1.28/24×10/3600A=0.15A（2）

其中U為電壓（單位V），I為電流（單位A），Cp為比熱容（單位kJ/（℃·kg）），m為重量（單位kg），dk為溫度的微分值（單位℃），dt為時間的微分值（單位s）。

為了加快加溫過程，本設計選取加溫電流為0.3A，此時，加熱帶電阻R1=R2=24V/0.3×2A=180Ω。

3 試驗驗證

將鋰離子電池組放入45℃的低溫箱中靜置6h，然后鋰離子電池組在45℃低溫箱中以3A恒流放電40min。本試驗測試了兩種狀態情況的放電情況，包括開關K2斷開（斷開自加熱回路）和開關K2閉合（接通自加熱回路），具體詳見圖3。

從圖3可以看到，當開關K2斷開時，加熱回路完全被斷開，鋰離子電池組放電時，電壓迅速下降到最低點18.156V，然后緩慢上升至20.178V，整個過程放電電壓低于技術要求的下限值20.7V，不滿足任務指標的要求。當開關K2閉合時，加熱回路接通，在低溫環境下，溫度繼電器自動接通，使鋰離子電池組利用自身的能量對自己進行加熱，鋰離子電池組整個過程放電電壓在22.93V～21.139V之間。試驗結果表明，本研究的自加熱設計可以有效地提高鋰離子電池的低溫性能，從而達到任務指標的需求。

4 結論

本文研究了某彈上鋰離子電池組采用自加熱和不采用自加熱兩種情況下的工作情況，結果表明：低溫45℃環境條件下，鋰離子電池組采用自加熱設計后，其工作電壓可以得到顯著提高，從而解決了彈上鋰離子電池組在低溫環境條件下的電性能。

參考文獻：

[1]李鳴，毛景立.裝備采購理論與實踐[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]倪文昊，丁冬.我國鋰離子電池發展現狀及前景探討[J].化工技術，2012（01）.

[3]謝先宇，王潘，安浩，等.汽車用動力鋰離子電池發展現狀[J].新能源汽車，2010（01）.

[4]張承寧，雷治國，董玉剛.電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究[J].北京理工大學學報，2012，32（09）.

作者簡介：沈川杰（1986），男，四川成都人，碩士，工程師，運載導彈領域電源設計方向。