《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電傳動(dòng)車(chē)輛用高功率鋰離子電池性能分析研究
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第3期
雷治國(guó)1，2，張承寧1，李軍求1，范廣沖1
1.北京理工大學(xué) 電動(dòng)車(chē)輛國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100081； 2.福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州350002
摘要： 為研究功率型鋰離子電池性能，對(duì)某35 Ah功率型鋰離子電池單體進(jìn)行了充放電特性試驗(yàn)和分析，由此獲得功率型電池在不同溫度和不同倍率下的充放電特性、內(nèi)阻特性和溫升特性。研究結(jié)果表明，低溫下電池的充放電內(nèi)阻較大，充放電性能衰減顯著；常溫下電池的內(nèi)阻較小，充放電溫升較小，大電流充放電的容量穩(wěn)定性好，質(zhì)量比能量高，作為電傳動(dòng)車(chē)輛主要或輔助動(dòng)力源具有良好的應(yīng)用前景。
中圖分類(lèi)號(hào)： U469.72
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)03-0061-03
Research on the performance of high-power lithium-ion battery used in electric vehicle
Lei Zhiguo1，2，Zhang Chengning1，Li Junqiu1，2，F(xiàn)an Guangchong1
1.National Engineering Laboratory for Electric Vehicle, Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China； 2.School of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China
Abstract： To research the performance of high-power lithium-ion battery，the experiments of the charge-discharge characteristics of 35 Ah high-power lithium-ion battery were carried out and analyzed，and the battery’s characteristics of charge-discharge, internal resistance and temperature were given. The result shows the internal resistance is increased and the charge-discharge performance is decreased in the low temperature; the battery has the small internal resistance, the ability to charge and discharge by the high current and high specific energy at normal temperature. This kind of battery has a good application prospect in EVS.
Key words : high-power lithium-ion battery；charge-discharge characteristics；low temperature performance；electric vehicles

    動(dòng)力電池作為電傳動(dòng)車(chē)輛主要能源之一，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助能源，在車(chē)輛需要輸出大功率時(shí)，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，同時(shí)也可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。因此，動(dòng)力電池的性能將直接影響電傳動(dòng)車(chē)輛的性能。國(guó)家科技部公布的《電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》指出在“十二五”期間，國(guó)家科技計(jì)劃將加大力度持續(xù)支持電動(dòng)汽車(chē)科技創(chuàng)新。2015年中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量計(jì)劃達(dá)到100萬(wàn)，動(dòng)力電池也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。鋰離子電池具有功率高、能量密度大、壽命長(zhǎng)、自放電率低和貯藏時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前正逐步取代其他電池成為主要的動(dòng)力電池[1-2]。電傳動(dòng)車(chē)輛對(duì)體積和動(dòng)力都有較高要求，因此要求動(dòng)力電池不僅具有較高的能量密度，還需具有大功率充放電的能力[3]，而高功率鋰離子電池能夠同時(shí)滿(mǎn)足這兩方面要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高功率型鋰離子電池進(jìn)行了深入研究，參考文獻(xiàn)[4]研制了一款功率密度為2 000 WKg-1的高功率鋰離子電池，并成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。為了進(jìn)一步研究功率型電池的充放電性能，同時(shí)也為電池選型和電池建模提供依據(jù)，本文對(duì)某35 Ah功率型電池的充放電性能進(jìn)行研究。

1 測(cè)試平臺(tái)
    測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中HT-V5C200D200-4是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司針對(duì)電池單體測(cè)試開(kāi)發(fā)的電池充放電設(shè)備；溫箱的作用是提供測(cè)試所需的環(huán)境溫度，在測(cè)試過(guò)程，被測(cè)電池放置在溫箱中，溫度測(cè)量模塊用于測(cè)量充放電過(guò)程中電池表面和極耳的溫度變化，溫度測(cè)量模塊有16個(gè)通道，采用PT100溫度傳感器。溫度傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)NI采集系統(tǒng)傳送至上位機(jī)，安裝在上位機(jī)的Labview軟件將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體的溫度值并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存和顯示。

 

 

2 放電特性
    為研究溫度對(duì)電池放電性能的影響，將電池放置在不同環(huán)境溫度下，以相同的倍率進(jìn)行恒流放電。電池首先以1/3C倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，充滿(mǎn)后靜置2 h，然后靜置在溫箱中5 h，靜置結(jié)束后以某一倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V。在-40 ℃～+25 ℃范圍內(nèi)，分別以10 A、35 A、70 A、140 A恒流進(jìn)行放電，放電曲線(xiàn)如圖2～圖5所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
    （1）在同一放電倍率下，電池的放電電壓隨溫度下降而降低。以10 A恒流放電為例，-40 ℃與+20 ℃相比，電池放電電壓平均下降1 V，為標(biāo)稱(chēng)電壓的27%。
    （2）低溫大電流放電時(shí)，放電曲線(xiàn)呈非線(xiàn)性狀態(tài)，出現(xiàn)明顯的波谷波峰形狀，放電電壓波動(dòng)大。以70 A恒流放電為例，在20 ℃和0 ℃放電時(shí)，放電曲線(xiàn)比較正常，沒(méi)有出現(xiàn)波谷波峰。當(dāng)環(huán)境溫度降為-20 ℃時(shí)，放電曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的波谷波峰形狀，電池兩端的電壓從4.15 V降至3.07 V。隨后，電壓開(kāi)始升高，最高達(dá)到3.35 V，然后開(kāi)始下降。電池在低溫下進(jìn)行大電流放電時(shí)，由于電池溫度低，電池的活性物質(zhì)無(wú)法充分利用，電極極化嚴(yán)重，電池內(nèi)阻大，因此放電初期電池的放電電壓快速下降。隨著放電的進(jìn)行，由于電池內(nèi)阻較大，在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，使電池溫度快速上升，從而使電池的活性物質(zhì)部分得到激活，因此電池的放電電壓開(kāi)始上升。隨著電池溫度的上升，電池的內(nèi)阻開(kāi)始下降，產(chǎn)生的熱量也隨之下降。由于環(huán)境溫度保持在-20 ℃不變，因此電池的溫度開(kāi)始下降，活性物質(zhì)利用率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電池的放電電壓下降。   
3 充電特性
    為研究溫度對(duì)電池充電性能的影響。通過(guò)將電池放置在不同的環(huán)境溫度下，以相同的倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電。電池首先以1/3C倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V，放電結(jié)束后靜置2 h，然后將電池靜置在溫箱中5 h，靜置結(jié)束后以某一倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，10 A充電的截止電流為1 A，35 A、70 A電的截止電流為3 A。圖6、圖7、圖8分別給出了10 A、35 A和70 A恒流-恒壓充電曲線(xiàn)。

    從不同溫度的充電曲線(xiàn)可以看出，與低溫電池放電特性相比，電池的充電性能衰減更為明顯。參考文獻(xiàn)[5-7]也有相同結(jié)論：在0 ℃以下，電池已無(wú)法進(jìn)行正常充電，在低溫下，電池充電呈現(xiàn)以下兩個(gè)特性：
    （1）在充電電流相同的情況下，隨著溫度降低，恒流充電階段，充電電壓不斷提高，尤其是進(jìn)行大電流充電時(shí)。在0 ℃以下，已完全沒(méi)有恒流充電過(guò)程，充電電流加載瞬間，電池端電壓迅速升高到截止電壓4.2 V，直接進(jìn)入恒壓充電階段。
    （2）隨著溫度降低，恒流充電時(shí)間和充入容量快速減少，恒壓充電時(shí)間和充入容量增加，總充電容量增加，充入相同容量所用時(shí)間增加。
4 電池溫度特性
4.1 恒流放電溫度特性
    對(duì)電池單體在自然散熱條件下充放電工作時(shí)的生熱特性進(jìn)行研究，為后續(xù)建立電池生熱模型提供數(shù)據(jù)支持。電池單體被懸掛于無(wú)強(qiáng)制散熱的空間中，處于自然散熱條件，電池充放電過(guò)程，采用16通道的溫度傳感器進(jìn)行電池溫度的測(cè)量
    分別對(duì)電池進(jìn)行0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率放電。首先，將電池懸至于無(wú)強(qiáng)制散熱的環(huán)境下，溫度為室溫。放電前，按照第2節(jié)中的方法將電池充滿(mǎn)后靜置2 h，然后以某一倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V。圖9是電池在不同倍率放電過(guò)程中，正、反兩面的平均溫升曲線(xiàn)，為了方便比較研究，在作圖時(shí)都將實(shí)驗(yàn)中電池的起始溫度調(diào)整為20 ℃。

    從圖9中可以看出，隨著電池放電倍率的提高，以2C放電時(shí)，電池正極耳的溫度從20 ℃上升到29.6 ℃，上升了48%；以4C放電時(shí)，電池正極耳的溫度從20 ℃上升到36.96 ℃，上升了84.8%；因此，在高溫環(huán)境下，電池進(jìn)行大倍率放電時(shí)，必須采取相應(yīng)的散熱措施，否則電池將因過(guò)熱而導(dǎo)致性能衰退、壽命下降，甚至導(dǎo)致熱失控的危險(xiǎn)狀態(tài)。
4.2 電池充電生熱特性
    與放電溫升實(shí)驗(yàn)相同，將電池懸至于無(wú)強(qiáng)制散熱的環(huán)境下，按照第3節(jié)中的方法將電池放電后靜置2 h，然后分別以0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，截止電流為3 A。圖10給出了不同倍率充電過(guò)程中，電池單體表面的平均溫升曲線(xiàn)。從圖中可以看出，正、反面溫度幾乎相等，在恒流充電過(guò)程中，電池正、負(fù)的溫度快速上升，在恒壓充電階段，電池極耳的溫度開(kāi)始下降，這主要是恒壓充電階段，充電電流不斷下降，使得電池生熱率減少。因此，在電池充電過(guò)程，恒流充電過(guò)程是電池內(nèi)部熱量積聚的重要階段。

    常溫下，功率型鋰離子電池的充放電內(nèi)阻低，大電流放電的穩(wěn)定性好，放電效率高，具有良好的大倍率充電特性，能夠滿(mǎn)足電傳動(dòng)車(chē)輛的行駛需求。低溫下，電池
的充放電內(nèi)阻升高，相同放電倍率下，電池的放電電壓和放電容量顯著下降。與放電相比，電池充電性能衰減更為明顯，電池恒流充電電壓顯著升高，充入容量顯著下降。因此在實(shí)際使用中，必須有加熱系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，以提高電池的低溫性能。與其他電池相比，功率型鋰離子電池充放電溫升較小，但是大電流充放電時(shí)，電池溫度仍有較大提升，相同倍率下，電池充電過(guò)程的溫升比放電時(shí)的溫升高，因此，大電流充放電時(shí)，應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行散熱，避免電池內(nèi)部溫度累積對(duì)電池造成損害。
參考文獻(xiàn)
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