某鋰電池模組不同工況放電性能研究

隋 鑫，盧北虎，余 帆

應(yīng)用研究

某鋰電池模組不同工況放電性能研究

隋 鑫，盧北虎，余 帆

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

某鋰電池模組以不同工況進(jìn)行放電測(cè)試，通過測(cè)量放電過程中溫度變化及放電容量，對(duì)該鋰電池模組不同倍率、不同功率下的放電性能進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：該鋰電池模組3 C放電最高溫度達(dá)到63.1℃，0.2C放電最高溫度31.7℃，3 C放電容量為0.2 C放電容量的97.3%，表明隨著放電倍率的增大，電池模組的溫度上升，放電容量下降；該鋰電池模組5000 W放電最高溫度達(dá)到56.3℃，500 W放電最高溫度30℃，5000 W放電容量為500 W放電容量98.4%，表明隨著放電功率的增大電池模組的放電容量下降。說明，鋰電池以不同倍率、不同功率放電會(huì)產(chǎn)生不同溫度，不同的溫度對(duì)鋰電池放電性能有重要影響。因此維持在合理的工作溫度對(duì)鋰電池放電性能很關(guān)鍵，本文通過鋰電池模組不同工況放電性能研究，為該電池模組后期裝備熱管理設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)支撐。

鋰電池模組 不同倍率 不同功率 溫度 放電性能 熱管理設(shè)計(jì)

0 引言

我國(guó)汽車數(shù)量不斷增加，能源消耗越來越大，同時(shí)造成嚴(yán)重的污染環(huán)境。由此，發(fā)展電動(dòng)汽車開始受到重視[1]，動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，其性能制約著整個(gè)電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。動(dòng)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(shí)產(chǎn)生大量的熱量聚集，一旦超過電池設(shè)計(jì)工作溫度，就會(huì)影響其安全性和可靠性[2]。

鋰電池的工作溫度對(duì)放電性能及安全性能有很大的影響[3]。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[4]，因此許多科研工作者致力于對(duì)鋰電池?zé)峁芾淼难芯縖5-7]，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[8]。本文主要是針對(duì)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(jì)而進(jìn)行的前期試驗(yàn)[9]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本研究采用的是額定能量為1.8 kWh的鋰離子電池模組，模組額定電壓75.6 V，充放電截止電壓范圍為52.5～88.2 V。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。

圖1 電池模組（8P21S）組成及效果圖

試驗(yàn)前在電池模組上布置4個(gè)溫度探頭，試驗(yàn)過程中用數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集模組溫度。溫度探頭布置示意圖如圖2：

圖2 電池模組溫度探頭布置示意圖（數(shù)字代表溫度探頭）

1.2 試驗(yàn)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0.5 C（即12 A）進(jìn)行放電，模組電壓達(dá)到52.5 V停止放電。靜置30 min，然后在25℃±2℃條件下，以0.5 C（即12 A）電流對(duì)模組進(jìn)行充電，模組電壓達(dá)到88.2 V時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C（即1.2 A）電流時(shí)停止充電。充電后靜置30 min。

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

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0.5 C（即12 A）進(jìn)行放電，模組電壓達(dá)到52.5 V停止放電，靜置30 min，然后在25℃±2℃條件下，以0.5 C（即12 A）電流對(duì)模組進(jìn)行充電，模組電壓達(dá)到88.2 V時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，在充電電流小于0.05 C（即1.2 A）電流時(shí)停止充電。充電后靜置30 min。

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

圖6給出了模擬電弧故障的過程，當(dāng)電弧再次發(fā)生時(shí)，文獻(xiàn)[13]中的初級(jí)電弧模型開始生效并產(chǎn)生初級(jí)電弧特性。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下，通過求解電弧方程可以得到電弧電導(dǎo)率，而電弧電導(dǎo)率的倒數(shù)則通過TACS轉(zhuǎn)化為時(shí)變電弧電導(dǎo)。次級(jí)電弧是一種受多種因素的影響高度復(fù)雜現(xiàn)象，在斷路器打開后，利用文獻(xiàn)[14]中基于具有重燃電壓特性的反向并聯(lián)雙二極管電路的仿真技術(shù)對(duì)次級(jí)電弧進(jìn)行仿真。通過EMTP線路常數(shù)程序計(jì)算線路參數(shù)，同步電機(jī)（SM）和TACS用于核電站的調(diào)速器和勵(lì)磁系統(tǒng)[15]，在750 kV架空輸電線路系統(tǒng)的雙回路中線路1上產(chǎn)生故障，如圖7所示。

2 結(jié)果與討論

由圖2所示，1號(hào)溫度測(cè)試點(diǎn)與4號(hào)溫度測(cè)試點(diǎn)對(duì)稱分布，兩點(diǎn)測(cè)量溫度一致，因此分析結(jié)果只分析2、3、4溫度測(cè)試點(diǎn)。

1）常溫不同倍率下恒電流放電

①0.2C放電

圖3 0.2 C放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化曲線圖

表1 0.2 C放電時(shí)溫度變化

圖3是電池模組0.2 C放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以0.2 C恒流放電至52.5 V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(shì)。分別對(duì)2號(hào)（電池模組中心）、3號(hào)（電池模組中心與正極兩者之間）、4號(hào)（正極）的溫度進(jìn)行了探測(cè)，各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表1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(shí)間變化的曲線波動(dòng)較大，開始測(cè)試時(shí)電池模組的溫度在30℃左右，電池模組此時(shí)是散熱大于自身放電時(shí)產(chǎn)熱，因此溫度先下降至26.8℃左右再上升。最終溫升為2號(hào)﹥4號(hào)﹥3號(hào)，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(shí)3個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)之間的溫度相差很小，因?yàn)楫a(chǎn)生熱量少并且測(cè)試點(diǎn)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。

②0.5 C放電

圖4 0.5 C放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

表2 0.5 C放電時(shí)溫度變化

圖4是電池模組0.5 C放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以0.5 C恒流放電至52.5 V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(shì)，探測(cè)點(diǎn)處的溫度數(shù)值接近。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表3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。0.5 C恒流放電的最高溫以及溫升均大于0.2 C放電時(shí)的溫度數(shù)值。

③1C放電

表3 1 C放電時(shí)溫度變化

圖5是電池模組1 C放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖。電池模組以1 C恒流放電至52.5 V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(shì)。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表4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℃。

圖5 1 C放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

圖6 3 C放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

表4 3C放電時(shí)溫度變化

圖6是電池模組3C放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)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(cè)點(diǎn)的溫升速度提升的也越明顯。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表6所示，溫升為3號(hào)﹥2號(hào)﹥4號(hào)，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(shí)電池模組中心與正極兩者之間的溫度最高，可能是因?yàn)榇藭r(shí)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(hào)測(cè)試點(diǎn)位置位于兩者之間熱量聚集較多故溫度高。大倍率3 C放電與1 C放電時(shí)的溫度上升趨勢(shì)不同，可能是因?yàn)殡娏鞔髸r(shí)間短，熱量產(chǎn)生并擴(kuò)散與小倍率放電時(shí)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(huì)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(shí)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(duì)其性能造成影響。

⑤不同倍率放電

圖7 不同倍率恒流放電時(shí)電壓容量曲線圖

表5 不同倍率恒流放電的電性能對(duì)比

圖7為不同倍率恒流放電時(shí)電池模組的電壓容量曲線圖，表5為不同倍率恒流放電時(shí)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(shí)放電容量為22.627 Ah，當(dāng)放電電流為3C時(shí)電池模組的放電容量降低至22.016 Ah。因?yàn)榇箅娏飨码姵氐娜萘繒?huì)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(shí)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(huì)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

①500 W放電

圖8是電池模組500 W放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以500 W恒功率放電至電壓為52.5 V時(shí)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(shì)并且各處溫度曲線相近。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表6所示，3個(gè)探測(cè)點(diǎn)的溫度變化基本一致，因?yàn)樾」β史烹姰a(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。

圖8 500 W放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

表6 500 W放電時(shí)溫度變化

②1500 W放電

圖9 1500 W放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

表7 1500 W放電時(shí)溫度變化

圖9是電池模組1500 W放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以1500 W恒功率放電至電壓為52.5 V時(shí)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(shì)并且各處溫度曲線相近。各溫度探測(cè)點(diǎn)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(shí)的溫升。

③3000W放電

圖10 3000 W放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

表8 3000 W放電時(shí)溫度變化

圖10是電池模組3000 W放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以3000 W恒功率放電至電壓為52.5 V時(shí)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(shì)，溫度隨放電時(shí)間近似線性變化。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表8所示，溫升為3號(hào)﹥2號(hào)﹥4號(hào)，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℃。

④5000 W放電

圖11 5000 W放電時(shí)電壓隨時(shí)間變化曲線圖

圖11是電池模組5000 W放電時(shí)電壓，溫度隨時(shí)間變化的曲線圖，電池模組以5000 W恒功率放電至電壓為52.5 V時(shí)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(shì)并且上升速率快，溫度隨放電時(shí)間近似線性變化。各溫度探測(cè)點(diǎn)的溫度情況如表9所示，溫升為3號(hào)﹥2號(hào)﹥4號(hào)，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。

表9 5000 W放電時(shí)溫度變化

⑤不同功率放電

圖12 不同功率放電時(shí)電壓容量曲線圖

表10 不同功率放電的電性能對(duì)比

圖12為不同功率放電時(shí)電池模組的電壓容量曲線圖，表10為不同功率放電時(shí)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500 W時(shí)放電容量為21.88 Ah，當(dāng)放電功率為5000 W時(shí)電池模組的放電容量降低至21.546 Ah，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[11]，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。

3 結(jié)論

某型鋰電池模組在3 C放電時(shí)，最高溫度已達(dá)到63. 1℃，在5000 W放電時(shí)，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(cè)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(jì)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(shí)處于合理的環(huán)境溫度，以滿足裝備使用的需求。

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Research on Discharge Performance of a Lithium Battery Module under Several Working Conditions

Sui Xin，Lu Beihu，Yu Fan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064，China)

TM912

A

1003-4862(2021)02-0021-06

2020-06-15

隋鑫（1987-），男，工程師。研究方向：鋰離子電池。E-mail: 17702728669@163.com