一種圓柱形鋰離子電池的熱特性實驗分析

陸春　胡建

摘 要：本文通過對一種圓柱形鋰離子電池在不同溫度下的充放電試驗，記錄電池表面溫度、分析該鋰離子電池的熱特性，對其性能進行了評估。通過試驗分析比較了在不同溫度、充放電倍率下電池的溫升情況和溫度分布，以及溫度對電壓、充放電容量和電池內阻的影響。為電池成組和電池熱管理系統的設計提供了實際的試驗支持，通過試驗獲得的電池溫度場分布可為電池的有限元分析提供可靠的實驗驗證。

關鍵詞：鋰離子電池;溫度試驗;電池熱特性;電池熱管理

1 概述

鋰離子電池作為電動汽車較為理想的能量存儲載體成為電動汽車領域應用廣、發展快的電池之一，其大規模、大容量的應用模式要求對其電池使用特性進行全面深入的研究[1]。由于動力電池作為能量存儲單元需要成組應用，在電解質、隔膜、包裝工藝等因素的影響下，其電池工作熱特性是影響動力電池性能、整車性能及安全性的重要因素[2]。

在高溫高功率的運行工況下電池充放電產生的熱量無法及時散出，會引起電池內部熱量的積累，溫度的上升，如不加以控制會導致電池發生熱失控，引起電池的燃燒或爆炸從而引發安全事故[3]。

在低溫下電池內部的電化學反應速度變慢，電池內阻增大，使得電池在低溫下放電能力下降，特別是大電流放電能力，同時低溫下電池對電流的接受能力也有較大程度的下降，使得電池低溫下無法充電[4]，或者只能使用小電流長時間充電，這直接影響到電池的運行狀況和運營成本。

因此，擁有良好熱特性的動力電池單體是電動車輛正常高效運行的保證，對電池單體的熱特性試驗研究可為電池的熱管理系統以及電動汽車整車控制系統提供可靠的依據[5]。

2 電池熱特性試驗

本次試驗使用的電池為某圓柱形電池，其外形如圖1所示，其基本材料特性見表1。

利用導熱硅膠將溫度傳感器（精度±2℃）粘貼在電池表面，4個單體上共排布了16個傳感器。傳感器粘貼如圖2所示。

該試驗為電池的熱特性試驗，分別在外界環境溫度-10℃、0℃、25℃和45℃的條件下，對四個電池進行0.5C、1C、2C和3C倍率的充放電的試驗，記錄了充放電過程中的電流、電壓以及溫度等參數的變化。

3 試驗結果分析

3.1 電池放電溫升特性

（1）不同倍率下電池單體放電溫升

取電池單體上的溫度傳感器的平均值為電池單體溫度，比較在-10℃下不同倍率的溫升，結果如圖3所示。在-10℃下，隨著放電電流的增加，電池的溫度上升越快，并且溫度極值越高。放電初期電池的溫升較快，緊接著溫升幅度放緩并在后期的溫度快速上升。溫升放緩的主要原因是放電過程溫度上升，電池內阻隨之降低;放電后期容量降低使得內阻增大的幅度大于溫升使得電池內組減小的幅度，而導致溫度快速上升。

（2）不同環境溫度下電池單體放電溫升

將放電終了時刻的電池溫度與其初始溫度進行對比，通過對4種試驗溫度下4種放電倍率絕對溫升的比較，從圖4可以看出，電池溫升隨著溫度的降低而增加。3C放電時，-10℃、0℃、25℃和45℃下電池分別上升15.2℃，14.3℃、9.6℃和7℃，這說明放電環境溫度越低，電池用于生熱損耗的能量越多，電池放電的效率降低越明顯，不同溫度下放電效率見表2。由該表可得環境溫度越低電池的效率越低，為提高電池的使用效率，要盡量避免低溫下使用電池。

（3）電池表面不同位置的溫度變化

對單體電池在3C放電時不同位置的溫度變化進行監測，比較結果見圖5和圖6，可以看出單體電池在放電時溫度最高的是正極，電池表面與負極的溫度相對接近，負極與正極的溫差與放電溫度直接相關，環境溫度低時，差值大，單體表面的溫度均勻性變差，從而影響電池的性能，該特性說明應盡量避免低溫下使用電池。

3.2 溫度對電池性能的影響

3.2.1 對電池充電性能的影響

（1）不同溫度下充電性能比較

由表3不同溫度下1C倍率充電性能比較可得，低溫下電池溫升速度快，達到溫度最高點的時間提前，說明恒流充電時間縮短，但是隨著溫度的提高充電效率提升不明顯，低溫下雖然電池很快進入了恒壓充電階段，但長時間的恒壓充電也能保證有足夠的能量充進電池。

（2）低溫下不同倍率充電性能比較

由表4中-10℃下四種倍率的充電結果進行的對比可以看出，隨著充電倍率的增加，充電時間不斷縮短。恒流充電的時間明顯縮短，恒流/恒壓（CC/CV）的值從89%降低到1.4%，充電效率有2.2%的提高。

3.2.2 溫度及放電倍率對電池端電壓的影響

（1）溫度對電池端電壓的影響

圖7為不同溫度下0.5C放電電壓變化曲線，圖8為不同溫度下3C放電電壓變化曲線。

對比不同溫度下不同倍率的放電端電壓的變化結果可以得到以下結論：

1）大倍率放電時，電池的電壓平臺低。例如25℃下3C放電的電壓平臺約為3.1V，0.5C的放電電壓平臺約為3.3V;提高的電壓平臺有助于在輸出恒定功率時降低放電電流，降低溫升，延長放電時間;

2）低溫大倍率放電的電壓曲線出現明顯的波動：初期電壓從3.3V下降到2.5V后在放電過程中又上升到2.7V。這是因為環境溫度低使得放電初期電壓下降迅速，但由于內阻增加導致生熱量增加，提高了電池溫度，正極電位變正，負極電位變負，電池電壓升高;電池的3C放電效率由25℃時的100.3%降低到-10℃時的77.9%，放電能量降低了39.7%，這部分能量以熱能的形式散失。

（2）放電倍率對電池端電壓的影響

圖9和圖10為四種放電倍率25℃和-10℃在的放電電壓隨時間的變化曲線。

對比同一溫度下不同倍率的放電端電壓的變化結果可以得到以下結論：

1）同一溫度下，放電電壓平臺隨著放電倍率的增加而降低，這一趨勢在低溫下更加明顯，25℃下3C放電電壓平臺為3V，比0.5C的放電電壓平臺低了0.3V，而-10℃下這一差值擴大為0.4V，而且沒有明顯的放電電壓平臺;

2）低溫下大倍率放電，電壓曲線在初期下降后由于電池的自發熱有明顯的回升，對放電性能有一定的提升;

3）隨著放電溫度的降低，相同倍率的放電時間縮短，-10℃下的0.5C放電時間為25℃下的72%。

3.2.3 溫度對可用容量比率的影響

可用容量比率為電池可用容量占額定容量的比率，表征一定溫度條件下能夠輸出的電池能量，與電動車輛的續駛里程成正比。

由圖11可用容量比率與溫度的關系中可得以下結論：

（1）溫度從-10℃上升到25℃的過程中，電池的放電性能不斷上升，可用容量比率不斷上升，因此低溫下對電池組進行加熱將延長整車的續駛里程;

（2）溫度從25℃上升到45℃，兩個溫度下放電容量比率（主要與倍率和時間有關）基本相等，電池的放電時間基本一致;但增加的溫度改善了電池內的電化學反應，在相等的時間內放電能量提高說明25℃-45℃是測試電池適宜的溫度區間。

3.2.4 溫度和荷電容量對電池內阻的影響

實驗過程中主要分析溫度和電池荷電量對電池充、放電內阻的影響情況，試驗過程監控了四個單體的內阻變化情況，標記為R1、R2、R3和R4。間斷測試電池內阻值隨著充放電過程中SOC值的變化而變化的情況，并將不同溫度下同一SOC值時的內阻值進行比較得到下面的圖表。

（1）內阻與溫度的關系

對圖12和圖13中電池放電內阻隨溫度變化的規律進行分析可以看出，電池內阻與溫度成負相關關系，溫度越低，電池內阻越高，根據上面對電池內阻重要性的分析，在電池的實際使用中需要對電池進行溫度管理，降低電池在放電過程中的內阻，提高電池的放電效率。

單體電池之間內阻的變化趨勢一致，但阻值上平均有3的差值，電池的電阻一致性有待提高。并且充電內阻與放電內阻的變化趨勢一致，因此需在充電過程中保持電池的適宜溫度，提高充電效率。

（2）內阻與SOC的關系

電池的充電內阻隨著電池荷電量的增加而降低，充電末期電阻明顯增加，為了提高充電效率，建議在實際使用中電池的荷電量保持在40%～80%，降低內阻生熱耗散的能量，見圖14。

圖15顯示在放電末期電阻值會有較大的升高，原因是放電后期，電池電極的孔隙率下降，影響鋰離子在電解液相中的流通，導致內阻在深度放電時會迅速增加，同時這也是在放電末期電池的生熱上升明顯的原因。

4 結論

通過對26650 圓柱形磷酸鐵鋰電池的實驗以及其實驗數據的分析，可得如下結論：

（1）電池在-10℃和0℃下3C倍率分別放出68.4%和81%的能量，損耗的能量用于熱量耗散，電池的絕對溫升隨著放電倍率降低和溫度的升高而降低;

（2）該電池的充電性能隨著溫度降低下降明顯，-10℃下的1C充電時間長達210min，CC/CV僅為1.63%，影響了電動汽車的快速充電性能;相比于放電，對電池的充電過程進行溫度管理同樣重要，通過縮短同樣充電倍率下的充電時間，在達到同樣充滿電能的目標下，可以減少充電過程中用于熱耗散的能量，節省電網的電能;

（3）測試電池在25℃之前的放電容量和可用容量比率不斷上升，到25℃之后，溫度繼續升高，放電容量上升的幅度很小，電池最優工作溫度范圍是25℃～45℃;

（4）該電池的內阻隨著溫度的上升而降低，低溫下電阻上升明顯;在充放電過程中，電池內阻在SOC值為40%～80%的范圍內變化很小且阻值很低，建議電池在此最優荷電范圍內工作。

通過實驗對該電池的熱特性進行了一個客觀的評估，并為其隨后的電池成組設計以及電池熱管理控制提供了實驗數據支持。

參考文獻：

[1]申明，高青，王炎，等.電動汽車電池熱管理系統設計與分析[J].浙江大學學報（工學版），2019，53（7）：179.

[2]周益邦，李維軍.車用鋰離子電池加熱系統研究進展[J]. 電源技術，2019，43（4）：680.

[3]廖智偉.液冷式18650動力鋰電池組溫度場分析及優化[D].重慶交通大學，2018.

[4]陳宏珍.電動汽車用鋰離子動力電池組熱管理數值研究[D]. 天津大學，2014.

[5]王恒，張偉波，黃芳芳等.一種電動汽車電池熱管理優化方案[J].機器視覺，2019，9：66.