電傳動車輛用高功率鋰離子電池性能分析研究

動力電池作為電傳動車輛主要能源之一，可作為發(fā)動機的輔助能源，在車輛需要輸出大功率時，與發(fā)動機一起驅(qū)動車輛，同時也可獨立驅(qū)動車輛行駛。因此，動力電池的性能將直接影響電傳動車輛的性能。國家科技部公布的《電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》指出在“十二五”期間，國家科技計劃將加大力度持續(xù)支持電動汽車科技創(chuàng)新。2015年中國電動汽車保有量計劃達到100萬，動力電池也將迎來新的發(fā)展機遇。鋰離子電池具有功率高、能量密度大、壽命長、自放電率低和貯藏時間長等優(yōu)點，目前正逐步取代其他電池成為主要的動力電池[1-2]。電傳動車輛對體積和動力都有較高要求，因此要求動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滿足這兩方面要求，國內(nèi)外學(xué)者對高功率型鋰離子電池進行了深入研究，參考文獻[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)用于電動汽車。為了進一步研究功率型電池的充放電性能，同時也為電池選型和電池建模提供依據(jù)，本文對某35 Ah功率型電池的充放電性能進行研究。
1 測試平臺
測試平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中HT-V5C200D200-4是廣州擎天實業(yè)有限公司針對電池單體測試開發(fā)的電池充放電設(shè)備；溫箱的作用是提供測試所需的環(huán)境溫度，在測試過程，被測電池放置在溫箱中，溫度測量模塊用于測量充放電過程中電池表面和極耳的溫度變化，溫度測量模塊有16個通道，采用PT100溫度傳感器。溫度傳感器輸出的電壓信號經(jīng)NI采集系統(tǒng)傳送至上位機，安裝在上位機的Labview軟件將電壓信號轉(zhuǎn)換為具體的溫度值并進行數(shù)據(jù)的實時保存和顯示。

2 放電特性
為研究溫度對電池放電性能的影響，將電池放置在不同環(huán)境溫度下，以相同的倍率進行恒流放電。電池首先以1/3C倍率進行恒流-恒壓充電，充滿后靜置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恒流進行放電，放電曲線如圖2～圖5所示。

實驗結(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，為標稱電壓的27%。
（2）低溫大電流放電時，放電曲線呈非線性狀態(tài)，出現(xiàn)明顯的波谷波峰形狀，放電電壓波動大。以70 A恒流放電為例，在20 ℃和0 ℃放電時，放電曲線比較正常，沒有出現(xiàn)波谷波峰。當(dāng)環(huán)境溫度降為-20 ℃時，放電曲線出現(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，電壓開始升高，最高達到3.35 V，然后開始下降。電池在低溫下進行大電流放電時，由于電池溫度低，電池的活性物質(zhì)無法充分利用，電極極化嚴重，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始上升。隨著電池溫度的上升，電池的內(nèi)阻開始下降，產(chǎn)生的熱量也隨之下降。由于環(huán)境溫度保持在-20 ℃不變，因此電池的溫度開始下降，活性物質(zhì)利用率降低，進而導(dǎo)致電池的放電電壓下降。
3 充電特性
為研究溫度對電池充電性能的影響。通過將電池放置在不同的環(huán)境溫度下，以相同的倍率進行恒流-恒壓充電。電池首先以1/3C倍率進行恒流放電，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。

從不同溫度的充電曲線可以看出，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[5-7]也有相同結(jié)論：在0 ℃以下，電池已無法進行正常充電，在低溫下，電池充電呈現(xiàn)以下兩個特性：
（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，尤其是進行大電流充電時。在0 ℃以下，已完全沒有恒流充電過程，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，直接進入恒壓充電階段。
（2）隨著溫度降低，恒流充電時間和充入容量快速減少，恒壓充電時間和充入容量增加，總充電容量增加，充入相同容量所用時間增加。
4 電池溫度特性
4.1 恒流放電溫度特性
對電池單體在自然散熱條件下充放電工作時的生熱特性進行研究，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強制散熱的空間中，處于自然散熱條件，電池充放電過程，采用16通道的溫度傳感器進行電池溫度的測量
分別對電池進行0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率放電。首先，將電池懸至于無強制散熱的環(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后靜置2 h，然后以某一倍率進行恒流放電，截止電壓為3 V。圖9是電池在不同倍率放電過程中，正、反兩面的平均溫升曲線，為了方便比較研究，在作圖時都將實驗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，電池正極耳的溫度從20 ℃上升到29.6 ℃，上升了48%；以4C放電時，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，電池進行大倍率放電時，必須采取相應(yīng)的散熱措施，否則電池將因過熱而導(dǎo)致性能衰退、壽命下降，甚至導(dǎo)致熱失控的危險狀態(tài)。
4.2 電池充電生熱特性
與放電溫升實驗相同，將電池懸至于無強制散熱的環(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程中，電池單體表面的平均溫升曲線。從圖中可以看出，正、反面溫度幾乎相等，在恒流充電過程中，電池正、負的溫度快速上升，在恒壓充電階段，電池極耳的溫度開始下降，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，在電池充電過程，恒流充電過程是電池內(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，能夠滿足電傳動車輛的行駛需求。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。因此在實際使用中，必須有加熱系統(tǒng)對電池進行加熱，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，電池溫度仍有較大提升，相同倍率下，電池充電過程的溫升比放電時的溫升高，因此，大電流充放電時，應(yīng)對動力電池組進行散熱，避免電池內(nèi)部溫度累積對電池造成損害。
參考文獻
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