0  引言

我國汽車數(shù)量不斷增加，能源消耗越來越大，同時造成嚴(yán)重的污染環(huán)境。由此，發(fā)展電動汽車開始受到重視，動力電池作為電動汽車的動力源，其性能制約著整個電動汽車行業(yè)的發(fā)展。動力電池的工作溫度直接影響其壽命及性能，成組后的鋰電池模組體積緊湊，比能量大，正常放電時產(chǎn)生大量的熱量聚集，一旦超過電池設(shè)計工作溫度，就會影響其安全性和可靠性。

鋰電池的工作溫度對放電性能及安全性能有很大的影響。其循環(huán)壽命主要與工作溫度相關(guān)，較少受循環(huán)次數(shù)的影響，因此許多科研工作者致力于對鋰電池?zé)峁芾淼难芯?，使鋰電池在不同工況下都能保證在最佳工作溫度范圍內(nèi)放電，這樣其工作性能及壽命都能達(dá)到最佳效果。本文主要是針對某型鋰電池模組不同工況放電性能，為探討該模組后期裝備使用是否需要進(jìn)行熱管理設(shè)計而進(jìn)行的前期試驗。

2  試驗

2.1  試驗準(zhǔn)備

本研究采用的是額定能量為1.8kWh的鋰離子電池模組，模組額定電壓75.6V，充放電截止電壓范圍為52.5～88.2V。該模組由168只3.6V3Ah的18650圓柱電池通過8并21串組成。電池模組的組成及效果圖如圖1所示。



試驗前在電池模組上布置4個溫度探頭，試驗過程中用數(shù)據(jù)采集儀實時采集模組溫度。溫度探頭布置示意圖如圖2：



2.2  試驗方法

1）常溫不同倍率恒電流放電

（1）初始充放電：在25℃±2℃條件下，將電池模組以標(biāo)準(zhǔn)充放電電流0.5C（即12A）進(jìn)行放電，至電壓達(dá)到52.5V時停止放電；靜置30min后，以0.5C電流充電，至電壓達(dá)到88.2V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05C電流時停止充電，靜置30min；

（2）不同倍率放電：電池模組在25℃±2℃條件下，分別以0.2C、0.5C、1C、3C放電，模組電壓達(dá)到52.5V停止放電，靜置30min，以0.5C電流充電至電壓達(dá)到88.2V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05C電流時停止充電，靜置30min；

2）常溫不同功率恒功率放電

（1）初始充放電：在25℃±2℃條件下，將電池模組以標(biāo)準(zhǔn)充放電電流0.5C（即12A）進(jìn)行放電，模組電壓達(dá)到52.5V停止放電，靜置30min，然后在25℃±2℃條件下，以0.5C（即12A）電流對模組進(jìn)行充電，模組電壓達(dá)到88.2V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05C（即1.2A）電流時停止充電。充電后靜置30min；

（2）不同功率放電：電池模組在25℃±2℃條件下，分別以500W、1500W、3000W、5000W功率放電，至電壓達(dá)到52.5V時停止放電；靜置30min后，以0.5C電流充電，至電壓達(dá)到88.2V時轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05C電流時停止充電，靜置30min；

3  結(jié)果與討論

由圖2所示，1號溫度測試點與4號溫度測試點對稱分布，兩點測量溫度一致，因此分析結(jié)果只分析2、3、4溫度測試點。

1）常溫不同倍率下恒電流放電

（1）0.2C放電





圖3是電池模組0.2C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以0.2C恒流放電至52.5V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)先下降后上升趨勢。分別對2號（電池模組中心）、3號（電池模組中心與正極兩者之間）、4號（正極）的溫度進(jìn)行了探測，各溫度探測點的溫度情況如表3所示，由于電池模組放電倍率小產(chǎn)生的熱量較少以及與外界空氣的熱交換散熱使得溫度隨時間變化的曲線波動較大，因為開始測試時電池模組的溫度在30℃左右,電池模組此時是散熱大于自身放電時產(chǎn)熱，因此溫度先下降至26.8℃左右再上升。最終溫升為2﹥4﹥3，電池模組中心溫度溫升最高，由最低溫26.5℃上升至最高溫31.7℃，溫升為5.2℃。小倍率放電時3個溫度測試點之間的溫度相差很小，因為產(chǎn)生熱量少并且測試點均布置在電池模組的連接排上，連接排具有良好的導(dǎo)熱性能迅速將熱量傳遞至各處。

（2）0.5C放電



圖4是電池模組0.5C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以0.5C恒流放電至52.5V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)先慢后快的上升趨勢，探測點處的溫度數(shù)值接近。各溫度探測點的溫度情況如表2所示，溫升為2﹥4﹥3，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度26.6℃上升至最高溫35.9℃，溫升為9.3℃。電池模組中心處堆疊緊密，熱量容易聚集，與外界交換熱量困難故此處的溫度最高。0.5C恒流放電的最高溫以及溫升均大于0.2C放電時的溫度數(shù)值。

（3）1C放電



圖5是電池模組1C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以1C恒流放電至52.5V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢。各溫度探測點的溫度情況如表5所示，溫升為2﹥4﹥3，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度30.5℃上升至最高溫44℃，溫升為13.5℃。

（4）3C放電



圖6是電池模組3C放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以3C恒流放電至52.5V停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度迅速上升，放電倍率越大，所有探測點的溫升速度提升的也越明顯。各溫度探測點的溫度情況如表6所示，溫升為3﹥2﹥4，電池模組中心與正極之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫63.1℃，溫升為36.7℃。相比較小倍率放電電池模組的溫度明顯增加，放電結(jié)束時電池模組中心與正極兩者之間的溫度最高，可能是因為此時電池模組內(nèi)部的熱量傳遞方式發(fā)生了變化，中心處產(chǎn)生熱量并向兩邊擴(kuò)散，正極處產(chǎn)生熱量向四周擴(kuò)散，3號測試點位置位于兩者之間熱量聚集較多故溫度高。大倍率3C放電與1C放電時的溫度上升趨勢不同，可能是因為電流大時間短，熱量產(chǎn)生并擴(kuò)散與小倍率放電時的方式與原理不同所導(dǎo)致的。充放電電流強(qiáng)度越大，電池模組內(nèi)部會迅速產(chǎn)生大量熱量，溫度越高，溫差也越大。當(dāng)放電電流為3C時其最高溫達(dá)到63.1℃，電池模組的正常溫度使用范圍為-20℃～75℃，若超過75℃需要采取一定的降溫措施，避免電池模組發(fā)生損壞，對其性能造成影響。

（5）不同倍率放電



圖7為不同倍率恒流放電時電池模組的電壓容量曲線圖，表5為不同倍率恒流放電時的電性能數(shù)據(jù)，隨著放電倍率的增大，電池模組的開始電壓降低，放電容量與放電能量均下降。當(dāng)放電電流為0.2C時放電容量為22.627Ah，當(dāng)放電電流為3C時電池模組的放電容量降低至22.016Ah，因為大電流下電池的容量會發(fā)生衰減，故隨著放電倍率的增大，電池模組的溫度上升，放電容量下降。這一現(xiàn)象與孫順等人[10]的研究結(jié)果一致。電池負(fù)極性能與表面SEI膜的關(guān)系很大，不同溫度導(dǎo)致SEI膜成分不同，溫度越高，負(fù)極表面SEI膜的破壞與修復(fù)速度越快，同時伴隨著活性鋰的消耗。不僅如此，溫度越高，電池正極材料越不穩(wěn)定，正極材料結(jié)構(gòu)會發(fā)生衰退現(xiàn)象導(dǎo)致材料性能降低，從而使放電容量下降。

2）常溫不同功率恒功率放電

（1）500W放電



圖8是電池模組500W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以500W恒功率放電至電壓為52.5V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且各處溫度曲線相近。各溫度探測點的溫度情況如表6所示，3個探測點的溫度變化基本一致，因為小功率放電產(chǎn)生熱量少，模組上的連接排能迅速傳遞熱量使得連接排上溫度較為均勻，故溫度變化較為一致。

（2）1500W放電




圖9是電池模組1500W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以1500W恒功率放電至電壓為52.5V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且各處溫度曲線相近。各溫度探測點的溫度情況如表7所示，溫升為2﹥3﹥4，電池模組中心溫度溫升最高，由初始溫度24.4℃上升至最高溫36℃，溫升為11.6℃，高于500W放電時的溫升。

（3）3000W放電



圖10是電池模組3000W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以3000W恒功率放電至電壓為52.5V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢，溫度隨放電時間近似線性變化。各溫度探測點的溫度情況如表8所示，溫升為3﹥2﹥4，電池模組中心與正極之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫47.7℃，溫升為21.3℃。

（4）5000W放電



圖11是電池模組5000W放電時電壓，溫度隨時間變化的曲線圖，電池模組以5000W恒功率放電至電壓為52.5V時停止，放電過程中電壓下降，電池模組的溫度呈現(xiàn)上升趨勢并且上升速率快，溫度隨放電時間近似線性變化。各溫度探測點的溫度情況如表9所示，溫升為3﹥2﹥4，電池模組中心與正極兩者之間的溫度溫升最高，由初始溫度26.4℃上升至最高溫56.3℃，溫升為31.7℃。隨著放電功率的增大，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量增多，電池模組的溫度越高，溫差越大。

（5）不同功率放電



圖12為不同功率放電時電池模組的電壓容量曲線圖，表10為不同功率放電時的電性能數(shù)據(jù)，隨著功率的增大，電池模組的開始電壓降低，放電容量與放電能量下降，當(dāng)放電功率為500W時放電容量為21.88Ah，當(dāng)放電功率為5000W時電池模組的放電容量降低至21.546Ah，隨著放電功率的增大電池模組的放電容量下降。研究認(rèn)為，高功率放電導(dǎo)致電池溫升很大，極大影響負(fù)極表面SEI膜穩(wěn)定性，過多的消耗了可正常脫嵌的活性鋰離子，導(dǎo)致容量下降。

4  結(jié)論

某型鋰電池模組在3C放電時，最高溫度已達(dá)到63.1℃，在5000W放電時，最高溫度達(dá)56.3℃，均已達(dá)到模組的最佳工作溫度上限。隨著測試溫度的升高，放電性能逐漸降低。綜上所述可以得出結(jié)論，鋰電池模組在合理的溫度區(qū)間有利于其電性能的保持。

下一步在該型鋰電池模組設(shè)計增加散熱方式，如氣體冷卻、液體冷卻及相變材料冷卻方法，保證電池模組在更大倍率、更大功率工作時處于合理的環(huán)境溫度，以滿足裝備使用的需求。