低溫條件下鋰離子電池電熱性能研究

康云

摘 要：近年來，我國對鋰離子動力電池的需求不斷增加，鋰離子動力電池系統在低溫條件下能量密度和功率密度降低，影響車輛的動力性能和續航里程。針對此問題，文章選定電池供應商提供的鋰離子電池模塊，根據目前國標和實際工況對電池系統的要求，采用試驗的方法得到了電池模塊表面溫度隨不同環境溫度、不同充放電狀態以及行駛工況下的變化規律。為了保證低溫下電池的正常使用，必須對電池進行熱管理設計。本文研究結果可為動力電池系統結構設計和熱管理設計提供技術支撐。

關鍵詞：動力電池;低溫;溫升;低溫放電

鋰離子電池熱失控原因主要集中在電解液的熱不穩定性，以及電解液與正、負極共存體系的熱不穩定性兩個大的方面。鋰離子電池熱失控反應劇烈、熱釋放速率高并釋放大量有毒有害氣體，會在短時間對人體和環境造成危害。

1 電池包產熱分析

對充滿后的電池包進行放空，靜置一段時間后再充滿。分別在充放電結束后立即打開電池包上下蓋，并使用熱成像儀對電池包進行測量。從熱成像結果上分析可知，在0.3C倍率下，電池外表面各部位最大差值在0.3℃以內，因此本文將電池包的溫升作為一個整體來考慮。基于此，本模型的仿真對象為電池包的整體溫升而非某個部位的溫升。同時，為驗證上述實驗方法的合理性，在電池包結束充放電并開蓋測量溫度后，繼續靜置5h并監測其溫度變化，發現其平均溫度下降速率小于1℃/h，因此本文認為電池包工作結束立即開蓋后測量到的電池包溫度分布可以代表電池包正常工作時的溫度分布。

2 動力電池低溫性能試驗內容

本試驗測試方法為：選取環境溫度25℃、10℃、0℃、-10℃、-20℃一共五個溫度點，分別進行放電倍率為1C、0.3C、0.5C的放電測試。根據整車試驗中采出實際工況路譜圖，將其轉化為工況電流，進行25℃、0℃、-20℃環境溫度下的工況放電測試。記錄以上試驗的溫度、容量、能量、電壓、電流等數據。

3 三元聚合物鋰離子電池實驗現象及分析

3.1 0%SOC三元聚合物鋰離子電池實驗現象

開啟電加熱板加熱，電池表面溫度開始緩慢上升，加熱至7min，電池表面溫度為50℃，隨后電池表面溫度開始快速上升，加熱至9min，電池表面溫度為75℃。電池電解液于電池帽與電池殼密封處發生泄漏，附著于加熱板表面，產生少量煙霧。電池電解液泄漏至11min，電池表面溫度緩慢上升至92℃并趨于平穩。

3.2 30%SOC三元聚合物鋰離子電池實驗現象

電加熱板加熱開啟后，電池表面溫度迅速上升，并于4min時發生電解液的少量泄漏，電池表面溫度為49℃。6min時，正極保護蓋向外炸出，電解液出現泄漏，少量煙霧冒出。8min時，電池表面溫度達到102℃，煙霧大量涌出，充滿防爆箱空間9min時，電池表面溫度達到118℃，隨后電池表面溫度快速上升，并于12min時到達最高值218℃，隨后溫度緩慢下降。

3.3 50%SOC三元聚合物鋰離子電池實驗現象

電加熱板加熱開啟后，電池表面溫度迅速上升，并于3min22s時到達70℃，在此期間于1min50s時發生電解液少量泄漏，伴隨有少量煙霧冒出。7min時，煙霧停止冒出，溫度緩慢上升。

3.4 100%SOC三元聚合物鋰離子電池實驗現象

在電加熱板開啟2min后，電解液開始泄漏，一直伴隨大量煙霧冒出，電池表面溫度迅速上升。5min24s時，電池表面溫度達到85℃，電池發生劇烈爆炸，爆炸時間1.2s。反應結束后，發現碳粉布滿測試箱內表面。電池除電池帽與電池殼密封處、同加熱板接觸面存在腐蝕現象，外觀無明顯損壞。

4 試驗結果

4.1 放電平臺

在不同環境溫度下，電池的放電平臺隨著環境溫度的下降而下降。在-20℃時，放電的初期階段放電平臺會快速下降，達到一個“波谷”階段。這是由于在低溫狀態下，電解液處于凝固或者半凝固的狀態，電解液的導電率降低，放電平臺快速下降。隨著放電過程的進行，放電平臺緩慢的上升到平臺期。這段期間因為隨著放電過程的進行，電池內部產生熱量，產生的熱量融化了電解液，增加了電解液的導電率，降低了電子流動阻力，使得放電平臺升高。

4.2 電池表面溫度

在相同環境溫度，放電倍率越低，電池表面的溫升越小，如：在-20℃的環境溫度下，0.5C放電電池表面的平均溫升為26℃;在-20℃的環境溫度下，0.3C放電電池表面的平均溫升為21℃。這說明在環境溫度較低時，應該采用較小的電流進行放電。這樣的效果一是保證電池能量的輸出效率;二是保證電池的使用壽命。

4.3 放電容量

環境溫度-20℃下，以0.3C放電放出的能量最低，為25℃下的86%。放電倍率越小，環境溫度越低，放出的電量越小。環境溫度25℃下，0.3C放電的容量略高，其他溫度點都是1C放電的容量最高。

綜上所述，電池在低溫環境下鋰離子本身活性比較低，電解液流動阻力大，導電率降低，放電容量降低，影響純電動汽車的工作。根據試驗測試得到電池實際在不同環境溫度、不同放電倍率以及工況下的放電平臺和電池表面溫度變化。

參考文獻：

[1]霍宇濤，饒中浩，劉新健等.基于液體介質的電動汽車動力電池熱管理研究進展[J].新能源進展，2014，2（2）：135-140.