低溫環(huán)境下鋰離子電池組雙重保護系統(tǒng)的實驗研究

張友朋 王恬 馮煒喆 王馨 胡興軍

摘 要：為改善鋰電池組低溫下的性能表現(xiàn)，組合多種相變材料與電加熱裝置，提出一種鋰電池低溫保護系統(tǒng)。針對一個三串三并的鋰電池組模塊，首先在25℃，0℃，-20℃溫度工況下進行有、無保護系統(tǒng)的對比性放電實驗;然后在-20℃溫度工況下進行長時間的保溫放電實驗。結(jié)果表明，無保護系統(tǒng)的鋰電池組在低溫環(huán)境下，出現(xiàn)了明顯的性能衰退，而帶有保護系統(tǒng)的鋰電池組在低溫環(huán)境下，則可以維持鋰電池組溫度在合適的工作范圍內(nèi)，其參數(shù)變化接近常溫時放電的表現(xiàn)，有效保證了鋰電池低溫下的性能。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;相變材料;電加熱裝置;低溫保護

中圖分類號：U463.63+3 ?文獻標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-21-06

A Study on the Dual-Protection System of Lithium-ion Battery Pack at

Low-temperature Environment

Zhang Youpeng， Wang Tian， Feng Weizhe， Wang Xin， Hu Xingjun

（ State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control， Jilin University， Jilin Changchun 130022 ）

Abstract： In order to improve the performance of lithium-ion battery at low temperature， a low temperature protection system for lithium-ion battery is proposed by combining a variety of phase change materials and electric heating devices. For a three series and three parallel lithium-ion battery module， the comparative discharge experiment with and without protection system is carried out at 25℃，0℃ and-20℃， and then the long-term insulation discharge experiment is carried out at-20℃. The results show that the performance of the lithium-ion battery without protection system declines obviously in low temperature environment， while the lithium battery with protection system can maintain the temperature of the lithium-ion battery in a proper working range in low temperature environment， and its parameters change close to the performance of discharge at room temperature， which effectively guarantees the performance of the lithium-ion battery at low temperature.

Keywords： Lithium-ion battery; Phase change material; Electric heating device; Low-temperature protection

CLC NO.： U463.63+3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-21-06

前言

新能源汽車是緩解能源危機、減少環(huán)境污染的有效解決方案之一，作為其核心部件的電池，是制約新能源汽車正常使用、制造成本、續(xù)航能力的主要因素。鋰離子動力電池（以下簡稱鋰電池）常溫下由于具有壽命長、自放電率低、比能量高及儲存時間長等優(yōu)點[1]是目前應(yīng)用最廣泛的動力電池，但溫度對其性能發(fā)揮有很大影響，其最佳工作溫度區(qū)間為20～45℃[2]。研究表明，在低于0℃的低溫環(huán)境中，鋰電池的各種性能開始出現(xiàn)衰減;-20℃時，其性能急劇惡化，容量和工作電壓急劇下降，嚴(yán)重影響其使用[3-5];當(dāng)溫度為-40℃時，商用18650型鋰離子電池甚至只能保持 5%的能量和1.25%的電量[6]。低溫充電電壓高、恒流充電階段所占比例變小，充電緩慢，充電容量大幅衰減，易產(chǎn)生析鋰而對鋰離子電池的容量和阻抗造成不可恢復(fù)性嚴(yán)重?fù)p傷[7]，且電池組低溫放電特性與單體電池存在一定區(qū)別，電池組低溫性能的相關(guān)研究開展較少[8]。

目前鋰電池組低溫下的性能研究開展較少，鋰電池組低溫保護方面的技術(shù)也較少?，F(xiàn)有技術(shù)為防止鋰電池汽車在低溫環(huán)境下續(xù)航能力下降，主要采取了以下幾種方案[9-10]：空氣加熱，這種方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是其加熱效率低下，效果較差;液體加熱，此方案換熱效率高，加熱均勻，但其裝置復(fù)雜，成本較高，不適合低端的車型;相變材料加熱，這種方案是未來的發(fā)展方向之一，其溫度控制效果和成本方面均十分優(yōu)秀，而且不消耗電池組自身的電量，但受目前材料儲熱的限制，一旦相變材料失效，將失去保護效果，不適合長時間工作;內(nèi)熱法，主要有高低頻交流電加熱、電池自身加熱等方案，此方法加熱均勻，效率較高，加熱迅速，但實際應(yīng)用中會對電池造成一定的損傷，而且成本較高昂。

這些解決方案，都有一定的低溫保護能力，但均存在一些弊端，制約了新能源汽車的發(fā)展。本文結(jié)合相變材料和電加熱裝置，制成一種新式低溫保護系統(tǒng)，以國內(nèi)某公司生產(chǎn)的18650鋰電池制成的3串3并的電池組模塊，利用恒溫恒濕箱和充放電機，在不同工況下，進行對比性放電實驗，通過分析電池組的放電電壓電流容量變化，探究此保護系統(tǒng)的使用效果及可靠性，為電池組低溫保護提供一種新的可靠方案。

1 實驗

1.1 實驗對象

電池及電池組：實驗用電池為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的18650圓柱形鋰離子動力電池，具體如圖1所示，單體容量2600 mAh，其詳細(xì)參數(shù)見表1。

電池組為定制的，規(guī)格為3串3并，中間留有適當(dāng)?shù)拈g隙用于放置相變材料及加熱膜等，如圖2，其具體參數(shù)見表1。

溫控模塊：用于電加熱裝置的自動控制和溫度測量。供電電壓12V，測溫精度 ℃，可設(shè)置溫控區(qū)間，低于下限溫度開啟加熱，高于溫度上限后報警，并切斷電源。溫控模塊如3。

溫度傳感器的布置：在1、3、7、9號電池的側(cè)面中心位置分別布置一個傳感器，以便收集電池組各部分的溫度數(shù)據(jù)，溫度傳感器（圖中三角形）的布置位置如圖4。

電加熱膜：實驗用電加熱膜的規(guī)格為6V9W，共八個，兩兩串聯(lián)后，形成四個12V18W的加熱膜塊，連接到溫控模塊后，由電池組供電，如圖5。

相變材料：實驗用的相變材料共有三種，其相變溫度分別為20℃，24℃，25℃，其儲存的相變潛熱將用于電池組的保溫。

1.2 實驗設(shè)備

恒溫恒濕箱：型號為ETH-1000，可實現(xiàn)的溫度區(qū)間為-40℃～50℃，用于模擬鋰電池所處的環(huán)境溫度，如圖6。

充放電機：型號為EBC-A10H（30V-10A-150W），可實現(xiàn)恒流放電、恒功率放電以及循環(huán)、擱置、容量測試等模式，并有配套的計算機軟件，如圖7。

數(shù)據(jù)記錄儀：個人電腦，通過與充放電機相配套的軟件自動記錄電壓、電流、容量等數(shù)據(jù)，溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)也通過此電腦來記錄。

實驗設(shè)備的連接：電池組被置于恒溫恒濕箱中，通過線路與外部的充放電機相連，充放電機再與電腦相連，電腦通過配套的軟件對充放電機的輸出的電流電壓等參數(shù)進行控制，從而控制電池組的參數(shù);溫度傳感器讀取的溫度通過電腦來記錄。其連接示意圖見圖8。

1.3 實驗方法

實驗共分為三個部分：

第一部分：25℃，0℃，-20℃恒溫放電，不帶溫度保護系統(tǒng)。此為原始對照組，用于獲得電池組本身在不帶任何保護時，在不同工況下的表現(xiàn)。

（1）將電池組放入恒溫箱后，設(shè)置恒溫箱溫度為25℃，啟動恒溫箱，擱置30分鐘，待溫度穩(wěn)定后進行下一步。

（2）啟動充放電機，利用聯(lián)機軟件設(shè)置放電模式：3.9A恒流放電，即0.5C放電（電池組標(biāo)稱容量7.8AH），截止電壓9.0V。開始放電，由軟件記錄電壓-電流-容量隨時間的變化。

（3）電池組端電壓達(dá)到截止電壓，放電結(jié)束。

（4）對電池組進行充電，設(shè)置恒溫箱溫度為0℃，啟動恒溫箱，擱置30分鐘，待溫度穩(wěn)定后，重復(fù)步驟（2）（3）。

（5）對電池組進行充電，設(shè)置恒溫箱溫度為-20℃，啟動恒溫箱，擱置30分鐘，待溫度穩(wěn)定后，重復(fù)步驟（2）（3）。

第二部分：25℃，0℃，-20℃恒溫環(huán)境下，帶保護系統(tǒng)放電。此為實驗組，用于測試保護系統(tǒng)的效果。

（1）首先組裝低溫保護系統(tǒng)，將相變材料裝入密封袋并放入電池之間的縫隙，在電池組四周安放電熱膜，然后整體由外殼包裹。

（2）將帶保護系統(tǒng)的電池組整體放入恒溫箱后，設(shè)置恒溫箱溫度25℃，啟動恒溫箱，等待溫度穩(wěn)定后進行下一步。

（3）設(shè)置3.9A恒流放電（0.5C），截止電壓9.0V，記錄電池組電壓-電流-容量隨時間的變化，并記錄電池組溫度隨時間的變化。

（4）電池組端電壓達(dá)到截止電壓，放電結(jié)束。

（5）將電池組充滿電后，設(shè)置恒溫箱溫度0℃，啟動恒溫箱，等待溫度穩(wěn)定后，重復(fù)步驟（3）（4）。

（6）將電池組充滿電后，設(shè)置恒溫箱溫度-20℃，啟動恒溫箱，等待溫度穩(wěn)定后，重復(fù)步驟（3）（4）。

（7）取出電池組，更換其他種類的相變材料，并對電池組進行充電，充滿電后（電池組端電壓達(dá)到12.6V），重復(fù)步驟（2）-（6）。

第三部分：將帶保護系統(tǒng)的電池組放在-20℃的環(huán)境下保溫3小時，然后再進行放電實驗，此實驗用于模擬電池組在低溫環(huán)境較長時間的表現(xiàn)，例如停車一段時間再啟動。同時，由于第二部分實驗可能體現(xiàn)不出來相變材料的作用，因此本部分設(shè)置了長時間低溫實驗，測試保護系統(tǒng)的各部分的極限性能。

（1）安置低溫保護系統(tǒng)。

（2）將帶保護系統(tǒng)的電池組整體放入恒溫箱后，設(shè)置恒溫箱溫度為-20℃，啟動恒溫箱，保溫三小時，記錄電池組溫度變化。

（3）開始放電，同樣設(shè)置0.5C放電，截止電壓9.0V，記錄電池組電壓-電流-容量隨時間的變化，記錄電池組溫度變化。

（4）電池組端電壓達(dá)到截止電壓，放電結(jié)束。

（5）取出電池組，更換其他種類的相變材料，并對電池組進行充電，充滿電后（電池組端電壓達(dá)到12.6V），重復(fù)步驟（2）-（4）。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 第一部分實驗結(jié)果及分析

由圖9可知，在第一階段25/0/-20℃恒溫恒流放電實驗中，對于電壓，整體上，由于每個實驗前電池組均處于滿電狀態(tài)，因此其電壓均接近12.6V的理論電壓，為12.7V左右。隨著放電的進行，離子和電荷不斷遷移，電池兩端電動勢必然逐漸下降，因此三者電壓均呈現(xiàn)整體下降的趨勢。對于放電開始階段，不同溫度下的下降趨勢截然不同，低溫環(huán)境電壓下降的明顯快，這說明放電時電池溫度越低，電池的活性物質(zhì)就越少，電池極化就越嚴(yán)重，電池內(nèi)阻就越大，在電流不變的情況下，其電壓下降的就越快。從曲線中還可以看出，放電初期后，三條曲線趨于平緩，可知隨著放電的進行，電池不斷發(fā)熱，活性物質(zhì)增多，內(nèi)阻減小，因此其電壓下降逐漸平緩。

3 結(jié)論

低溫環(huán)境對鋰電池的性能有很大影響，溫度越低，其放電容量衰減越嚴(yán)重，放電電壓衰退越快，采取合理的保護措施，使鋰電池組在低溫環(huán)境下發(fā)揮應(yīng)有的性能是十分必要的。

本文采用的相變材料與電加熱裝置相結(jié)合的保護系統(tǒng)在低溫環(huán)境下對鋰電池組具有良好的保護效果，環(huán)境溫度越低，保護效果越明顯，有效保證了鋰電池組在低溫環(huán)境下的性能發(fā)揮。

相變材料的選擇對此保護系統(tǒng)有一定影響，相變潛熱越大，其能釋放的熱量就越多，其保溫的效果也越佳，從優(yōu)化系統(tǒng)的角度來說，應(yīng)優(yōu)先選擇相變潛熱大的材料，同時相變材料的量也是需要注意的，合理利用電池組空間同時又能保證足夠的潛熱，是十分重要的。

電加熱片的功率選擇對保護系統(tǒng)的效果及電池組的性能有很大影響，合理選擇加熱膜的功率，可以減少電池組電能的浪費，同時又能保證其原本的加熱作用。另一方面，電加熱片的能量消耗是十分明顯的，實際使用中應(yīng)盡量避免啟動電加熱裝置，而盡量多發(fā)揮相變材料的作用，這是本保護系統(tǒng)的核心也是其優(yōu)勢所在。

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