低温环境下锂离子电池组双重保护系统的实验研究

张友朋 王恬 冯炜喆 王馨 胡兴军

摘 要：为改善锂电池组低温下的性能表现，组合多种相变材料与电加热装置，提出一种锂电池低温保护系统。针对一个三串三并的锂电池组模块，首先在25℃，0℃，-20℃温度工况下进行有、无保护系统的对比性放电实验;然后在-20℃温度工况下进行长时间的保温放电实验。结果表明，无保护系统的锂电池组在低温环境下，出现了明显的性能衰退，而带有保护系统的锂电池组在低温环境下，则可以维持锂电池组温度在合适的工作范围内，其参数变化接近常温时放电的表现，有效保证了锂电池低温下的性能。

关键词：锂离子电池;相变材料;电加热装置;低温保护

中图分类号：U463.63+3  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-21-06

A Study on the Dual-Protection System of Lithium-ion Battery Pack at

Low-temperature Environment

Zhang Youpeng， Wang Tian， Feng Weizhe， Wang Xin， Hu Xingjun

（ State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Jilin Changchun 130022 ）

Abstract： In order to improve the performance of lithium-ion battery at low temperature， a low temperature protection system for lithium-ion battery is proposed by combining a variety of phase change materials and electric heating devices. For a three series and three parallel lithium-ion battery module， the comparative discharge experiment with and without protection system is carried out at 25℃，0℃ and-20℃， and then the long-term insulation discharge experiment is carried out at-20℃. The results show that the performance of the lithium-ion battery without protection system declines obviously in low temperature environment， while the lithium battery with protection system can maintain the temperature of the lithium-ion battery in a proper working range in low temperature environment， and its parameters change close to the performance of discharge at room temperature， which effectively guarantees the performance of the lithium-ion battery at low temperature.

Keywords： Lithium-ion battery; Phase change material; Electric heating device; Low-temperature protection

CLC NO.： U463.63+3  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-21-06

前言

新能源汽車是缓解能源危机、减少环境污染的有效解决方案之一，作为其核心部件的电池，是制约新能源汽车正常使用、制造成本、续航能力的主要因素。锂离子动力电池（以下简称锂电池）常温下由于具有寿命长、自放电率低、比能量高及储存时间长等优点[1]是目前应用最广泛的动力电池，但温度对其性能发挥有很大影响，其最佳工作温度区间为20～45℃[2]。研究表明，在低于0℃的低温环境中，锂电池的各种性能开始出现衰减;-20℃时，其性能急剧恶化，容量和工作电压急剧下降，严重影响其使用[3-5];当温度为-40℃时，商用18650型锂离子电池甚至只能保持 5%的能量和1.25%的电量[6]。低温充电电压高、恒流充电阶段所占比例变小，充电缓慢，充电容量大幅衰减，易产生析锂而对锂离子电池的容量和阻抗造成不可恢复性严重损伤[7]，且电池组低温放电特性与单体电池存在一定区别，电池组低温性能的相关研究开展较少[8]。

目前锂电池组低温下的性能研究开展较少，锂电池组低温保护方面的技术也较少。现有技术为防止锂电池汽车在低温环境下续航能力下降，主要采取了以下几种方案[9-10]：空气加热，这种方案结构简单，成本低，但是其加热效率低下，效果较差;液体加热，此方案换热效率高，加热均匀，但其装置复杂，成本较高，不适合低端的车型;相变材料加热，这种方案是未来的发展方向之一，其温度控制效果和成本方面均十分优秀，而且不消耗电池组自身的电量，但受目前材料储热的限制，一旦相变材料失效，将失去保护效果，不适合长时间工作;内热法，主要有高低频交流电加热、电池自身加热等方案，此方法加热均匀，效率较高，加热迅速，但实际应用中会对电池造成一定的损伤，而且成本较高昂。

这些解决方案，都有一定的低温保护能力，但均存在一些弊端，制约了新能源汽车的发展。本文结合相变材料和电加热装置，制成一种新式低温保护系统，以国内某公司生产的18650锂电池制成的3串3并的电池组模块，利用恒温恒湿箱和充放电机，在不同工况下，进行对比性放电实验，通过分析电池组的放电电压电流容量变化，探究此保护系统的使用效果及可靠性，为电池组低温保护提供一种新的可靠方案。

1 实验

1.1 实验对象

电池及电池组：实验用电池为国内某公司生产的18650圆柱形锂离子动力电池，具体如图1所示，单体容量2600 mAh，其详细参数见表1。

电池组为定制的，规格为3串3并，中间留有适当的间隙用于放置相变材料及加热膜等，如图2，其具体参数见表1。

温控模块：用于电加热装置的自动控制和温度测量。供电电压12V，测温精度 ℃，可设置温控区间，低于下限温度开启加热，高于温度上限后报警，并切断电源。温控模块如3。

温度传感器的布置：在1、3、7、9号电池的侧面中心位置分别布置一个传感器，以便收集电池组各部分的温度数据，温度传感器（图中三角形）的布置位置如图4。

电加热膜：实验用电加热膜的规格为6V9W，共八个，两两串联后，形成四个12V18W的加热膜块，连接到温控模块后，由电池组供电，如图5。

相变材料：实验用的相变材料共有三种，其相变温度分别为20℃，24℃，25℃，其储存的相变潜热将用于电池组的保温。

1.2 实验设备

恒温恒湿箱：型号为ETH-1000，可实现的温度区间为-40℃～50℃，用于模拟锂电池所处的环境温度，如图6。

充放电机：型号为EBC-A10H（30V-10A-150W），可实现恒流放电、恒功率放电以及循环、搁置、容量测试等模式，并有配套的计算机软件，如图7。

数据记录仪：个人电脑，通过与充放电机相配套的软件自动记录电压、电流、容量等数据，温度传感器采集的数据也通过此电脑来记录。

实验设备的连接：电池组被置于恒温恒湿箱中，通过线路与外部的充放电机相连，充放电机再与电脑相连，电脑通过配套的软件对充放电机的输出的电流电压等参数进行控制，从而控制电池组的参数;温度传感器读取的温度通过电脑来记录。其连接示意图见图8。

1.3 实验方法

实验共分为三个部分：

第一部分：25℃，0℃，-20℃恒温放电，不带温度保护系统。此为原始对照组，用于获得电池组本身在不带任何保护时，在不同工况下的表现。

（1）将电池组放入恒温箱后，设置恒温箱温度为25℃，启动恒温箱，搁置30分钟，待温度稳定后进行下一步。

（2）启动充放电机，利用联机软件设置放电模式：3.9A恒流放电，即0.5C放电（电池组标称容量7.8AH），截止电压9.0V。开始放电，由软件记录电压-电流-容量随时间的变化。

（3）电池组端电压达到截止电压，放电结束。

（4）对电池组进行充电，设置恒温箱温度为0℃，启动恒温箱，搁置30分钟，待温度稳定后，重复步骤（2）（3）。

（5）对电池组进行充电，设置恒温箱温度为-20℃，启动恒温箱，搁置30分钟，待温度稳定后，重复步骤（2）（3）。

第二部分：25℃，0℃，-20℃恒温环境下，带保护系统放电。此为实验组，用于测试保护系统的效果。

（1）首先组装低温保护系统，将相变材料装入密封袋并放入电池之间的缝隙，在电池组四周安放电热膜，然后整体由外壳包裹。

（2）将带保护系统的电池组整体放入恒温箱后，设置恒温箱温度25℃，启动恒温箱，等待温度稳定后进行下一步。

（3）设置3.9A恒流放电（0.5C），截止电压9.0V，记录电池组电压-电流-容量随时间的变化，并記录电池组温度随时间的变化。

（4）电池组端电压达到截止电压，放电结束。

（5）将电池组充满电后，设置恒温箱温度0℃，启动恒温箱，等待温度稳定后，重复步骤（3）（4）。

（6）将电池组充满电后，设置恒温箱温度-20℃，启动恒温箱，等待温度稳定后，重复步骤（3）（4）。

（7）取出电池组，更换其他种类的相变材料，并对电池组进行充电，充满电后（电池组端电压达到12.6V），重复步骤（2）-（6）。

第三部分：将带保护系统的电池组放在-20℃的环境下保温3小时，然后再进行放电实验，此实验用于模拟电池组在低温环境较长时间的表现，例如停车一段时间再启动。同时，由于第二部分实验可能体现不出来相变材料的作用，因此本部分设置了长时间低温实验，测试保护系统的各部分的极限性能。

（1）安置低温保护系统。

（2）将带保护系统的电池组整体放入恒温箱后，设置恒温箱温度为-20℃，启动恒温箱，保温三小时，记录电池组温度变化。

（3）开始放电，同样设置0.5C放电，截止电压9.0V，记录电池组电压-电流-容量随时间的变化，记录电池组温度变化。

（4）电池组端电压达到截止电压，放电结束。

（5）取出电池组，更换其他种类的相变材料，并对电池组进行充电，充满电后（电池组端电压达到12.6V），重复步骤（2）-（4）。

2 实验结果及分析

2.1 第一部分实验结果及分析

由图9可知，在第一阶段25/0/-20℃恒温恒流放电实验中，对于电压，整体上，由于每个实验前电池组均处于满电状态，因此其电压均接近12.6V的理论电压，为12.7V左右。随着放电的进行，离子和电荷不断迁移，电池两端电动势必然逐渐下降，因此三者电压均呈现整体下降的趋势。对于放电开始阶段，不同温度下的下降趋势截然不同，低温环境电压下降的明显快，这说明放电时电池温度越低，电池的活性物质就越少，电池极化就越严重，电池内阻就越大，在电流不变的情况下，其电压下降的就越快。从曲线中还可以看出，放电初期后，三条曲线趋于平缓，可知随着放电的进行，电池不断发热，活性物质增多，内阻减小，因此其电压下降逐渐平缓。

3 结论

低温环境对锂电池的性能有很大影响，温度越低，其放电容量衰减越严重，放电电压衰退越快，采取合理的保护措施，使锂电池组在低温环境下发挥应有的性能是十分必要的。

本文采用的相变材料与电加热装置相结合的保护系统在低温环境下对锂电池组具有良好的保护效果，环境温度越低，保护效果越明显，有效保证了锂电池组在低温环境下的性能发挥。

相变材料的选择对此保护系统有一定影响，相变潜热越大，其能释放的热量就越多，其保温的效果也越佳，从优化系统的角度来说，应优先选择相变潜热大的材料，同时相变材料的量也是需要注意的，合理利用电池组空间同时又能保证足够的潜热，是十分重要的。

电加热片的功率选择对保护系统的效果及电池组的性能有很大影响，合理选择加热膜的功率，可以减少电池组电能的浪费，同时又能保证其原本的加热作用。另一方面，电加热片的能量消耗是十分明显的，实际使用中应尽量避免启动电加热装置，而尽量多发挥相变材料的作用，这是本保护系统的核心也是其优势所在。

参考文献

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