电传动车辆用高功率锂离子电池性能分析研究

    动力电池作为电传动车辆主要能源之一，可作为发动机的辅助能源，在车辆需要输出大功率时，与发动机一起驱动车辆，同时也可独立驱动车辆行驶。因此，动力电池的性能将直接影响电传动车辆的性能。国家科技部公布的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》指出在“十二五”期间，国家科技计划将加大力度持续支持电动汽车科技创新。2015年中国电动汽车保有量计划达到100万，动力电池也将迎来新的发展机遇。锂离子电池具有功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低和贮藏时间长等优点，目前正逐步取代其他电池成为主要的动力电池[1-2]。电传动车辆对体积和动力都有较高要求，因此要求动力电池不仅具有较高的能量密度，还需具有大功率充放电的能力[3]，而高功率锂离子电池能够同时满足这两方面要求，国内外学者对高功率型锂离子电池进行了深入研究，参考文献[4]研制了一款功率密度为2 000 WKg-1的高功率锂离子电池，并成功应用于电动汽车。为了进一步研究功率型电池的充放电性能，同时也为电池选型和电池建模提供依据，本文对某35 Ah功率型电池的充放电性能进行研究。
1 测试平台
    测试平台结构如图1所示。其中HT-V5C200D200-4是广州擎天实业有限公司针对电池单体测试开发的电池充放电设备；温箱的作用是提供测试所需的环境温度，在测试过程，被测电池放置在温箱中，温度测量模块用于测量充放电过程中电池表面和极耳的温度变化，温度测量模块有16个通道，采用PT100温度传感器。温度传感器输出的电压信号经NI采集系统传送至上位机，安装在上位机的Labview软件将电压信号转换为具体的温度值并进行数据的实时保存和显示。

2 放电特性
    为研究温度对电池放电性能的影响，将电池放置在不同环境温度下，以相同的倍率进行恒流放电。电池首先以1/3C倍率进行恒流-恒压充电，充满后静置2 h，然后静置在温箱中5 h，静置结束后以某一倍率进行恒流放电，截止电压为3 V。在-40 ℃～+25 ℃范围内，分别以10 A、35 A、70 A、140 A恒流进行放电，放电曲线如图2～图5所示。

    实验结果表明：
    （1）在同一放电倍率下，电池的放电电压随温度下降而降低。以10 A恒流放电为例，-40 ℃与+20 ℃相比，电池放电电压平均下降1 V，为标称电压的27%。
    （2）低温大电流放电时，放电曲线呈非线性状态，出现明显的波谷波峰形状，放电电压波动大。以70 A恒流放电为例，在20 ℃和0 ℃放电时，放电曲线比较正常，没有出现波谷波峰。当环境温度降为-20 ℃时，放电曲线出现明显的波谷波峰形状，电池两端的电压从4.15 V降至3.07 V。随后，电压开始升高，最高达到3.35 V，然后开始下降。电池在低温下进行大电流放电时，由于电池温度低，电池的活性物质无法充分利用，电极极化严重，电池内阻大，因此放电初期电池的放电电压快速下降。随着放电的进行，由于电池内阻较大，在电池内部产生大量热量，使电池温度快速上升，从而使电池的活性物质部分得到激活，因此电池的放电电压开始上升。随着电池温度的上升，电池的内阻开始下降，产生的热量也随之下降。由于环境温度保持在-20 ℃不变，因此电池的温度开始下降，活性物质利用率降低，进而导致电池的放电电压下降。   
3 充电特性
    为研究温度对电池充电性能的影响。通过将电池放置在不同的环境温度下，以相同的倍率进行恒流-恒压充电。电池首先以1/3C倍率进行恒流放电，截止电压为3 V，放电结束后静置2 h，然后将电池静置在温箱中5 h，静置结束后以某一倍率进行恒流-恒压充电，10 A充电的截止电流为1 A，35 A、70 A电的截止电流为3 A。图6、图7、图8分别给出了10 A、35 A和70 A恒流-恒压充电曲线。

    从不同温度的充电曲线可以看出，与低温电池放电特性相比，电池的充电性能衰减更为明显。参考文献[5-7]也有相同结论：在0 ℃以下，电池已无法进行正常充电，在低温下，电池充电呈现以下两个特性：
    （1）在充电电流相同的情况下，随着温度降低，恒流充电阶段，充电电压不断提高，尤其是进行大电流充电时。在0 ℃以下，已完全没有恒流充电过程，充电电流加载瞬间，电池端电压迅速升高到截止电压4.2 V，直接进入恒压充电阶段。
    （2）随着温度降低，恒流充电时间和充入容量快速减少，恒压充电时间和充入容量增加，总充电容量增加，充入相同容量所用时间增加。
4 电池温度特性
4.1 恒流放电温度特性
    对电池单体在自然散热条件下充放电工作时的生热特性进行研究，为后续建立电池生热模型提供数据支持。电池单体被悬挂于无强制散热的空间中，处于自然散热条件，电池充放电过程，采用16通道的温度传感器进行电池温度的测量
    分别对电池进行0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率放电。首先，将电池悬至于无强制散热的环境下，温度为室温。放电前，按照第2节中的方法将电池充满后静置2 h，然后以某一倍率进行恒流放电，截止电压为3 V。图9是电池在不同倍率放电过程中，正、反两面的平均温升曲线，为了方便比较研究，在作图时都将实验中电池的起始温度调整为20 ℃。

    从图9中可以看出，随着电池放电倍率的提高，以2C放电时，电池正极耳的温度从20 ℃上升到29.6 ℃，上升了48%；以4C放电时，电池正极耳的温度从20 ℃上升到36.96 ℃，上升了84.8%；因此，在高温环境下，电池进行大倍率放电时，必须采取相应的散热措施，否则电池将因过热而导致性能衰退、寿命下降，甚至导致热失控的危险状态。
4.2 电池充电生热特性
    与放电温升实验相同，将电池悬至于无强制散热的环境下，按照第3节中的方法将电池放电后静置2 h，然后分别以0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率进行恒流-恒压充电，截止电流为3 A。图10给出了不同倍率充电过程中，电池单体表面的平均温升曲线。从图中可以看出，正、反面温度几乎相等，在恒流充电过程中，电池正、负的温度快速上升，在恒压充电阶段，电池极耳的温度开始下降，这主要是恒压充电阶段，充电电流不断下降，使得电池生热率减少。因此，在电池充电过程，恒流充电过程是电池内部热量积聚的重要阶段。

    常温下，功率型锂离子电池的充放电内阻低，大电流放电的稳定性好，放电效率高，具有良好的大倍率充电特性，能够满足电传动车辆的行驶需求。低温下，电池
的充放电内阻升高，相同放电倍率下，电池的放电电压和放电容量显著下降。与放电相比，电池充电性能衰减更为明显，电池恒流充电电压显著升高，充入容量显著下降。因此在实际使用中，必须有加热系统对电池进行加热，以提高电池的低温性能。与其他电池相比，功率型锂离子电池充放电温升较小，但是大电流充放电时，电池温度仍有较大提升，相同倍率下，电池充电过程的温升比放电时的温升高，因此，大电流充放电时，应对动力电池组进行散热，避免电池内部温度累积对电池造成损害。
参考文献
[1] HUANG C K，SAKAMOTO J S，WOLFENSTINE J，et al. The limits of low temperature performance of Li-ion cells[J]. Journal of The Electrochemical Society，2000，147(8)：2893-2896.
[2] 刘兴江，肖成伟，余冰，等.混合动力车用锂离子蓄电池的研究进展[J].电源技术，2007，31（7）：509-514.
[3] SPOTNITZ R，SCHALKWIJK W A，SCROSATI B.Advances  in lithium-ion batteries[M]，Kluwer Academic/Plenum Publishers，New York，2003：433.
[4] ARAI J，YAMAKI T，YAMAUCHI S，et al.Development of  a high power lithium secondary battery for hybrid electric  vehicles[J].Journal of Power Sources，2005(146)：788-792.
[5] SMART M C，RATNAKUMAR B V，SURAMPUDI S，et al.  Irreversible capacities of graphite in low-temperature electrolytes for lithium-ion batteries[J].Journal of The Electrochemical Society，1999，146(11)：3963-3969.
[6] SHIAO H C，CHUA D，LIN H P，et al.Low temperature electrolytes for Li-ion PVDF cells[J].Journal of Power Sources，2000(87)：167-173.
[7] ZHANG S S，XU K，JOW T R.The low temperature performance of Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources，2003，115(1)：137-140.