不同换热环境对电池性能影响的试验研究

黄 瑞，汪铭磊，吴启超，徐一丹，俞小莉

（浙江大学a.能源工程学院；b.浙江省汽车智能热管理科学与技术重点实验室，杭州 310027）

0 引言

目前，锂离子电池因其具有能量密度高、工作电压平台高、无记忆效应、自放电率低以及使用寿命长等一系列优点，成为车载动力电池的优选对象［1-2］。但电池在充放电过程中会发生一系列反应产生大量热量，另外，当环境温度高于一定值时，电池内部也会自发地进行一些化学反应使得电池不断产热，导致电池温度上升［3］。如果不能很好地控制温度，会导致电池性能的快速衰退。当温度过高或过低时，均会加速电池性能的恶化以及寿命的衰减［4-6］。当恶化到一定程度时，将会引起电池热失控乃至爆炸，或导致电池容量“跳水”，提前报废［7］。温度对于电池性能的影响是不可忽视的，不同温度下电池的工作容量相差甚至近一倍［8-10］。

学者在进行电池性能的研究时，一般通过恒温箱来对电池所处的环境温度进行控制，电池处在恒温箱提供的空气对流换热环境中［11-13］。而在工程实际中，由于热管理系统的控制手段和策略不同，电池所处的换热环境多变且复杂。Wang等［14］采用强制风冷策略进行锂离子电池的热力学研究，探究不同方案下电池组的热性能，当风扇安装位置、空气流速、气流路径长度及截面积、电池组排列方式变化时，强制风冷的控制效果均会发生改变。曹磊［11］采用蛇形扁管液体流动传热进行热管理，研究不同角度下的冷却效果，在不同体积的锂离子电池下，不同的电池所处模组位置下，电池的温度场分布均不相同。Chen等［15］采用水-乙醇液体浸没式方案进行热管理，实验结果显示电池的整体温升在1 ℃以内，而对照组风冷温升达到了10 ℃以上。

由此可见，不同换热环境下电池在充放电过程中的温度状态均不一致。因此，本文通过测试以恒温箱为典型的空气对流换热环境和以浸没冷却为典型的液体对流换热环境下的电池充放电、老化数据，研究电池在不同换热环境下的性能差异，探究不同换热环境下的电池性能变化规律，为电池热管理系统设计提供更为直接、准确地控制策略。

1 实验系统设计

为了获得不同换热环境下锂离子电池的性能测试数据并进一步探究其变化规律，本文所使用的电池测试实验系统需要满足：①稳定的电池换热环境的维持；②电池充放电实验的开展；③电压、电流、容量等参数的测量；④电池温度的监测与控制；⑤电池数据的采集与记录；⑥各设备的上位机控制。

本文采用的电池测试系统主要由电池充放电循环仪、环境温度控制装置、2 套温度控制装置、NI 温度采集模块及热电偶等组成。该系统用于电池在不同换热环境下进行不同工况的性能测试，主要包括不同温度不同倍率的充放电性能测试、不同工况下的老化循环实验等。系统实物图如图1 所示。系统中各设备型号及用途见表1 所列。

图1 电池测试系统

表1 电池测试系统实验装置明细

2 测试对象及试验方法

本文选用三星N50E-21700 圆柱形三元锂离子电池作为研究对象，电池基本性能参数见表2 所列。

表2 N50E电池基本性能参数

本研究锂离子电池在不同换热环境下的基础性能和老化性能变化规律，其实验方案包括：

（1）放电特性。电池充电条件统一为23 ℃恒温箱内搁置1 h，通过恒流（2.45 A）恒压（4.2 V）模式进行充电，当恒压阶段电流下降至1／50 C即98 mA时停止充电。分别在恒温箱以及液体浸没式装置中搁置1 h，设置放电倍率为0.5、1、2 C，进行恒流放电测试，放电截止电压2.5 V，选环境温度为10、20、30、40、50 ℃，每组实验重复3次，取平均值。

（2）充电特性。电池放电条件统一为23 ℃恒温箱内搁置1 h，1C放电至电压为2.5 V，结束放电。分别在恒温箱以及液体浸没式装置中搁置1 h，设置充电倍率为0.5、1 C，进行恒流恒压充电实验，选环境温度为10、20、30、40、50 ℃，每组实验重复3次，取平均值。

（3）循环测试。本文实验选取3 个实验温度：15、30、45 ℃，测试环境分别为恒温箱方案和液体浸没式方案。待电池在不同装置中搁置1 h 后展开循环老化试验。试验充电条件为恒流（4.9 A）恒压（4.2 V）式，当恒压阶段电流下降至1／50 C即98 mA时停止充电。搁置5 min后放电，放电条件为恒流（4.9 A）放至电压为2.5 V停止放电，放电后搁置25 min开始下一轮循环。循环结束条件为电池标准容量下降至标称容量的80%，或循环容量衰减至第1 次循环容量的80%。

3 结果与讨论

3.1 放电特性

电池放电容量在不同运行工况下均会发生较大变化，图2 为两种换热环境中电池在不同环境温度下的放电容量和放电倍率的关系图。

图2 在不同放电倍率下电池放电容量

在10～30 ℃的温度区间内，两种方案下电池容量随温度的上升而增加，其中液体浸没式方案增长幅度远大于恒温箱方案。在40～50 ℃的温度区间内，恒温箱方案下电池容量基本保持不变，达到了最大值，而液体浸没式方案电池下电池容量仍随温度上升而增大，且放电倍率越小，容量越大。

在50 ℃温度2 C放电倍率下，液体浸没式方案电池容量比恒温箱方案低200 mAh，这说明液体浸没式方案下的电池，其对放电倍率的变化更加敏感。同时，2 C下的电池对低温也更加敏感，温度低于20 ℃时，电池容量急剧减小。

3.2 充电特性

图3 为两种换热环境不同充电倍率下不同充电阶段的充电容量，本文实验采用恒流恒压充电，截止电流1／50 C（98 mA），因此，在不同环境温度不同充电倍率下，电池总充电容量基本一致。低充电倍率下，随着温度上升，2 种换热环境下电池的恒流阶段充电容量差异增大；高充电倍率下，随着温度上升，两种换热环境下电池的恒流阶段充电容量差异减小。且0.5 C充电倍率下两种换热环境10 ℃下恒流阶段充电容量均接近1 C 充电倍率下两种换热环境50 ℃下充电容量。从整体看，两种换热环境下电池恒流阶段充电容量与环境温度近似呈线性关系，且在0.5 C 的充电倍率下体现出更好的温度适应性。不同的是液体浸没式方案下电池需达到更高的目标温度才能表现出与恒温箱方案下电池相同的恒流阶段充电容量，其充电容量相较于恒温箱方案下存在滞后现象但保持一致的变化趋势，其滞后程度随着充电倍率的增大而增大。

图3 在不同充电阶段电池的充电容量

3.3 老化特性

（1）循环容量。图4 为两种换热环境下电池循环容量变化曲线。同一温度下，液体浸没式方案下电池整体老化曲线均在恒温箱方案下电池老化曲线下方，老化差异随温度上升而增大。整体来看，两种换热环境下电池老化速率均随温度上升而变慢，且温度越低，后期老化速率越慢。不同工况下电池的初始循环容量存在差异，为了进一步对比，作了不同换热环境下电池的容量损失率比较，如图5 所示。恒温箱方案下，同样环境温度变化对电池老化的影响相较于液体浸没式方案下电池更加明显。图5 中分离点1 代表液体浸没式方案30 ℃控制下和恒温箱方案15 ℃控制下电池进入快速老化期，分离点2 代表液体浸没式方案45 ℃控制下和恒温箱方案30 ℃控制下电池进入快速老化期。相比于恒温箱方案下电池，液体浸没式方案下电池在相同环境温度下总是提前进入快速老化期，在相同老化速率下其环境温度总是要更高。

图4 电池循环使用容量变化曲线

图5 不同换热环境下电池容量损失率比较

（2）标准容量。图6 为两种换热环境下不同目标温度下电池老化过程中的标准容量变化曲线，图中每个数据点为不同工况下电池在不同循环次数下测得的标准放电容量平均值，其衰减规律呈现出与循环容量相似的规律。从整体看，温度对电池老化的影响是决定性的，温度越高，电池循环次数越多，衰退速率越慢。老化前期，除了15 ℃工况下，两种换热环境下电池均过早结束老化，其余目标温度下液体浸没式方案下电池的标准容量均高于恒温箱方案下电池。15 和30 ℃工况下，两种换热环境下电池标准容量变化总是不断递增，而45 ℃工况下电池后期衰退速率保持稳定且恒温箱方案下电池无快速衰退期。对于不同热管理方案控制下的电池，其最佳适宜温度并不一致，且存在较大差异，其随温度的老化规律也不尽相同。同一环境温度下，不同换热环境下电池老化差异也存在较大差异，且温度越高，该差异越大。

图6 电池标准容量变化曲线

4 结语

本文对不同换热环境下电池性能的变化规律进行了研究，通过以恒温箱为典型的空气对流换热环境和以浸没冷却为典型的液体对流换热环境下的实验并取得电池充放电及老化数据，结果表明：①恒温箱方案下的电池在环境温度30 ℃以下时放电倍率越高放电容量越大，30 ℃以上时则反之；而液体浸没式方案下的电池则始终表现为放电倍率越大放电容量越小。②不同充电倍率下，电池充电电流截止时刻均是低温优先、恒温箱方案优先。③在电池老化周期衰减临界点后，液体浸没式方案下的电池衰减速率远高于恒温箱方案下的电池。本文可进一步探究电池内部温度场分布以及该分布规律与电池的性能变化规律，从而指导设计更优化的电池热管理方案。