锂离子电池温度特性的研究

任　杰，李建祥，于　航，黄德旭，曹际娜

(1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250014；3.山东鲁能智能技术有限公司，山东济南250101)

锂离子电池温度特性的研究

任杰1，李建祥2，于航3，黄德旭3，曹际娜3

(1.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东青岛266000；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250014；3.山东鲁能智能技术有限公司，山东济南250101)

动力蓄电池作为纯电动汽车的动力来源，是提高整车性能和降低成本的关键一环，其温度特性直接影响电动汽车的性能、寿命和耐久性。针对锂离子电池在低温环境下放电容量低及单体之间温度不均匀的问题，合理设计了电池包结构，选择合适的热管理方式，保证电池包内各个单电池工作在合理温度范围内的同时尽量维持包内各个电池及电池模块间的温度均匀性。

锂离子电池；温度；热管理

电池作为电动汽车中的主要储能元件，是电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能[1-2]。目前全球电动汽车产业还处于发展初期，存在锂离子电池技术不够成熟、续驶里程有限、能源补给时间较长等问题，一定程度上限制了电动汽车的大规模推广应用。同时动力电池在使用过程中,需要连续放电和定时充电,在充放电过程中电池内部电化学反应会产生大量热量,引起电池温度的变化,而电池温度的变化又将直接影响电池的充放电性能。因此，充分了解电动汽车动力电池充放电特性，认识锂离子电池运行机理和影响因素是十分重要的。

本文主要根据温度对锂离子电池充放电性能的影响，分析了锂离子电池处于低温环境下充放电温升情况以及锂离子电池组各个模块之间温差对电池性能的影响，采取了适当的措施来解决温度这一影响因素，改善锂离子电池的运行性能，使其充分发挥优点，安全运行。

1　低温对电池特性的影响

正常工作条件下，锂离子电池在不断产生并散发热量，使得电池温度有一定升高。电池内部产生的热量主要是由两大部分组成[3]：电流流过电池内部时电池内阻产生的热量和电池工作过程中因发生化学反应而产生的热量。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻。电池内阻在整个电池充放电过程中产生的热量始终都为正值。电池内部发生的化学反应既可能是吸热反应，也可能是放热反应。

环境温度是电池热特性的主要影响因素，10 Ah磷酸铁锂动力电池分别处于不同环境中用1C电流放电时，放电过程中电池温升与环境关系见表1。从表中可知，环境温度越低，放电结束后电池的温升越大，这主要是因为环境温度越低，电解液的导电性越差，电池内部化学反应速率降低，浓差极化和电化学极化的程度增大，极化内阻就越大。同时，随着温度的降低，电池总内阻增加，电池发热量增大，电池温升幅度增大。

表1　不同环境温度下的电池温升表

试验采用万向60 Ah单体磷酸铁锂软包电池，具体见图1，其充放电曲线见图2(1C充放电电流)。从图上可以看出，单体电池容量约为64 Ah，略大于标称容量60 Ah，电池放电电压平台为3.2 V，而电池充电电压平台约3.4 V左右。

在不同温度下，电池放电容量不同，不同温度下的放电曲线如图3所示。从图上可以明显地看出，电池容量随温度的降低而降低，电池在0℃下进行放电测试，容量下降大约为常温容量的90%，而当温度继续降低，在－20℃下放电时，容量下降为常温容量的64%。在55℃高温下，电池容量基本与常温容量保持一致。

图1　动力电池单体

图2　单体动力电池充放电曲线

图3　不同温度下单体电池放电曲线

锂离子电池组作为电动汽车主要的储能装置，是电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能。由于车辆上空间有限，电动汽车运行过程中电池组产生的大量热量受空间影响而积累，造成各处温度不均匀，从而影响电池单体一致性，因此将降低充放电循环效率，影响电池功率和能量发挥，严重时还将导致电池热失控，引发安全事故[4]。

2　采取的热管理措施

针对锂离子电池在低温环境下放电容量低，以及电池组各单体之间存在温差影响电池性能这些问题，为了使电池组发挥最佳的性能和寿命，需要优化电池包的结构，设计电池包热管理系统。在电池打包设计及进行pack装配过程中，两片电池中间装有导热片，如图4所示。导热片的主要作用体现在两个方面：一方面将电池内部产生的热量传导到电池表面，积极将热量进行散发，并均衡电池间温度；另一方面是在冬季低温时将电池表面加热器的热量传递给电芯，同时保证电芯表面温度均一。

图4　导热片

磷酸铁锂动力电池的放电容量随着温度的降低而降低，当电池在-10℃放电时，电池容量大约下降20%。同时为了保障电池安全，要求环境温度必须在0℃以上才进行电池充电。为了保证电动汽车在冬季的正常运营，在充换电站的每套动力电池上都装配一套加热装置来保证电池在0℃以上温度工作。

电池箱内每个电池模块都装配一个加热器(见图5)，所采用的加热器是一种PTC材料[5]，固定在电池模块的侧面与导热铝片贴合利用，可以通过导热铝片把热量传导给每个电芯，并且保证电芯热量均一。

图5　动力电池模块加热片装配前(左)后(右)

所采用的加热器具有当超过一定的温度时,电阻值随着温度的升高呈阶跃性增高的特点，具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等优势。当电池温度低于0℃时启动加热，保证电池温度不低于0℃，并可以持续约1℃/h升温。每箱电池开启后的平均功率约150 W左右，即使夜晚室外温度一直低于0℃，9箱电池在夜晚10 h内耗电量约为14度电，约占整个电池总容量的10%。

电池箱在－10℃低温环境下测试曲线如图6所示。从图上明显可以看到，动力电池组大约需要8个小时从24℃降到0℃，在0℃时，加热系统启动工作，因为加热系统电源取自电池本身，所以总电压开始下降，5℃时停止加热。

3　热管理措施效应分析

加入导热片的电芯表面热分布图如图7所示，通过导热片的热传导，电芯表面温度差异小于1.5℃。

装配有加热装置的动力电池组在不同温度进行充放电，放电电流0.3C，其放电容量曲线如图8所示。由图可知，室温下，电池系统放电容量最高，接近电池标称容量300 Ah，45℃时放电容量稍有降低，约为室温容量的98.8%。当温度降至0℃时，加热系统开启，其放电容量为室温容量的97%，随着温度继续降低，在－20℃时，电池系统放电容量仍为初始容量的90%以上。对比不加载加热装置的单体电池在不同温度的容量图(图4)我们可知，加热系统的开启，可以大幅度提高低温条件下电池容量，而加热系统本身耗电量较小，0℃条件下整个放电周期内耗电量小于3%，－20℃条件下耗电量小于10%。

图6　－10℃低温测试曲线

图7　加入导热片的电芯表面热分布图

图8　电源系统不同温度放电容量

4　小结

锂离子电池组作为电动汽车主要的储能装置，是电动汽车的关键部件，直接影响电动汽车的性能。经过上面的分析验证，可以知道锂离子电池的性能受环境温度的影响较大,在低温时放电容量减小，影响其在电动汽车上的应用，为此需要采取相应的热管理措施，使其能量得到充分的利用。把动力电池研究与电动汽车运营实践相结合，一方面促进电池研究更加深入，切近产业实际，着力于解决实际运营中出现的一些问题；另一方面能促进研究结果向产业进行转化，极大地推动电动汽车、动力电池及充换电设施的技术革新。

[1]陈全世,齐占宁.燃料电池电动汽车的技术难关和发展前景[J].汽车工程，2001,23(6):362-263.

[2]林成涛，陈全世.燃料电池客车动力系统结构分析[J].公路交通科技，2003,20(5):134-135.

[3]SATO N.Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J].J Power Souces,2001,99(1/2):70-77.

[4]车杜兰,周荣,乔维高.电动汽车电池包热管理系统设计方法[J].汽车工程师,2009(10):28-30.

[5]陈建功.锂离子电池PTC安全电极的研究[D].长沙：中南大学, 2013：11-13.

[6]张秉良,孙玉田,孙勇,等.电动汽车充放电站在电网调峰中的应用[J].山东电力技术,2012(4):6-9.

Study of lithium-ion battery temperature characteristics

REN Jie1,LI Jian-xiang2,YU Hang3,HUANG De-xu3,CAO Ji-na3
(1.State Grid Qingdao Power Supply Company,Qingdao Shandong 266000,China;2.State Grid Shandong Electric Power Research Institute, Jinan Shandong 250014,China;3.Shandong Luneng Intelligence Technology Co.,Ltd.,Jinan Shandong 250101,China)

As a power source of pure electric vehicles,power battery is the key to improve vehicle performance and reduce the cost,and the temperature characteristics affect the electric vehicle performance,longevity and durability directly.Because the lithium-ion battery discharges the low capacity at low temperature and has uneven temperatures between cells,the battery pack structure was designed rationally;the appropriate thermal management was selected to ensure each single cell in the battery pack work within a reasonable temperature range and try to maintain temperature uniformity within each battery packs and battery modules.

lithium-ion batteries;temperature;thermal management

TM 912.9

A

1002-087 X(2016)10-1929-02

2016-03-15

任杰(1985—)，男，山东省人，工程师，主要研究方向为电力系统。