Experimental Study of Thermal Characteristics of Li-ion Battery in Electric Vehicles
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摘要:
为研究锂离子电池的热特性，以3 200 mA·h、3.67 V圆柱形三元材料锂电池为研究对象，进行了不同温度、不同充/放电倍率的热特性试验和低温加热试验.试验结果表明：随着充/放电电流的增大以及环境温度的降低，电池温度快速升高，低温下加热可以提高锂离子电池的充/放电性能.
Abstract:In order to study the thermal characteristics of 3 200 mA·h, 3.67 V cylindrical ternary material lithium battery, the charge/discharge thermal characteristics test at different temperature and charge/discharge rate were carried out. The test results show that the battery temperature rises rapidly with the increase of charge-discharge current and the decrease of the ambient temperature, and heating lithium-ion under low-temperature can improve the charge/discharge performance of lithium-ion batteries.
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锂离子电池以其比功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低和贮藏时间长等优势，已成为电动汽车的主要动力源[1-2].然而，锂离子电池的性能和循环寿命易受温度的影响，Ramadass等[3]对索尼18650(容量1.8 A·h)锂离子电池的循环性能进行了研究，电池在25 ℃和45 ℃时工作800个循环之后，电池容量分别下降31%和36%；当工作温度为55 ℃时，500个循环之后，容量下降70%. Wu等[4]将锂离子电池充满后分别在25 ℃和60 ℃环境中放置60 d后，电池容量从800 mA·h分别衰减到790 mA·h和680 mA·h.当容量衰减为30%时，锂离子电池在45 ℃时循环寿命为3 323次，而在60 ℃时仅为1 037次[5].锂离子电池在工作中会产生反应热、焦耳热和极化热等大量的热量，导致电池本体温度升高[6-7].串并联成组是电动汽车锂离子电池的主要使用方式之一，使用过程产生的热量易于集聚，如果不对其进行有效的散热，其温度将会显著上升，甚至导致电池组热失控，影响系统的安全性与可靠性[8].另一方面，锂离子电池在低温下使用亦存在着诸多问题：比容量低、衰减严重、循环倍率性能差、析锂现象明显、脱嵌锂不平衡等[9-13].因此，研究锂离子电池的热特性，采取有效途径对锂离子电池进行散热或加热，对提高锂离子电池的性能及安全性有重要意义.
本文试验研究了环境温度和充/放电倍率对锂离子电池热特性的影响以及低温下加热对锂离子电池性能的影响，为锂离子电池热分析建模和后续锂离子电池热管理系统的设计提供依据.
1. 试验平台及对象
锂离子电池热特性试验平台如图 1所示，主要由电池、恒温箱、电池充放电设备和工控机组成.被试电池为LG INR18650 MH1，额定容量为3 200 mA·h，充电方式为恒流-恒压方式，最大充电电流3.2 A.为确保电池充满，参考GB/T 31486—2015[14]对充电制度做如下规定：先恒流(1.6 A)充电至充电终止电压4.2 V，再以4.2 V恒压充电至充电电流50 mA时充电完成；放电方式为恒流放电，最大放电电流为10 A.恒温箱的作用是提供试验过程中所需要的环境温度，以此来模拟锂离子电池在不同环境温度下的真实状态，恒温箱外形尺寸为540 mm×540 mm×1 040 mm，内部工作室尺寸为350 mm×400 mm×500 mm.电池充放电设备为深圳新威尔电子有限公司的BTS5V300A-TF电池性能测试仪，电流测量精度为±(0.1%读值+0.1%计数)，电压测量精度为±(0.1%读值+0.05%计数)，温度测量精度为±0.5 ℃.试验过程中，锂离子电池置于恒温箱内，在其表面布置温度传感器，采集试验过程中锂离子电池的温度数据.
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图 1 锂离子电池热特性试验平台Figure 1. Li-ion battery thermal characteristics experimental platform2. 锂离子电池放电热特性研究
2.1 放电倍率对锂离子电池热特性的影响
为研究不同放电倍率下电池的热特性，分别以0.5、1.0、2.0、3.0放电倍率对锂离子电池进行放电，具体试验步骤如下：首先，室温下文献[14]将电池充满，搁置1 h；然后以某一倍率进行恒流放电，放电截止电压为2.5 V.记录放电过程中锂离子电池的温度数据，绘制锂离子电池在不同倍率放电过程的温度曲线，如图 2所示.由于不同时间段的室温有所差异，为了便于分析和研究，作图时将锂离子电池的起始温度统一设置为25 ℃.
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图 2 不同放电倍率下电池表面温度变化曲线Figure 2. Surface temperature of battery change curve at different discharge rates从图 2的结果可以看出：
1) 随着放电倍率增加，锂离子电池的温度快速上升. 0.5 C放电过程的温度从25.0 ℃上升到29.1 ℃，上升了16.4%；1.0 C放电过程的温度从25.0 ℃上升到36.2 ℃，上升了44.8%；2.0 C放电过程的温度从25.0 ℃上升到53.2 ℃，上升了112.8%；3.0 C放电过程的温度从25.0 ℃上升到70.2 ℃，上升了180.8%.主要原因是放电电流增大导致电池的发热功率增大，因而电池的温升增大.
2) 低倍率(≤1.0 C)放电时，锂离子电池的温升速率呈现先减小后增大趋势，即放电初期(电池荷电状态(SOC)≥90%)温度升高较快，这是由于放电初期导致内阻较大，温升速率较大；放电中期(10%＜SOC＜90%)温升缓慢；放电末期(SOC≤10%)，锂离子电池的极化现象较为严重，内阻增大导致温升速率再次增大.以1.0 C倍率放电为例，放电初期温升速率为0.400 ℃/min，放电中期为0.195 ℃/min，放电末期为0.240 ℃/min.
3) 高倍率(≥2.0 C)放电时，锂离子电池的温度几乎成线性关系上升，3.0 C倍率放电时，电池的温度上升到70.2 ℃，已经超出了电池正常工作温度范围-20 ℃~60 ℃.因此，电池进行大倍率放电时，必须采取相应的冷却措施.
2.2 环境温度对锂离子电池放电过程热特性的影响
为研究环境温度对放电过程锂离子电池热特性的影响，将电池放置在不同的环境温度下，以不同的倍率进行恒流放电，具体的试验步骤如下：室温下，按文献[14]将锂离子电池充满，并在某一温度下的恒温箱内搁置5 h；以某一倍率进行恒流放电，放电截止电压为2.5 V.不同温度下、不同放电倍率过程中电池的温度变化曲线如图 3~6所示.
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图 3 不同环境温度下0.5 C放电过程电池表面温度变化曲线Figure 3. Surface temperature of battery change curve under 0.5 C discharge rate at different ambient temperature![]()
图 4 不同环境温度下1.0 C放电过程电池表面温度变化曲线Figure 4. Surface temperature of battery change curve under 1.0 C discharge rate at different ambient temperature![]()
图 5 不同环境温度下2.0 C放电过程电池表面温度变化曲线Figure 5. Surface temperature of battery change curve under 2.0 C discharge rate at different ambient temperature![]()
图 6 不同环境温度下3.0 C放电过程电池表面温度变化曲线Figure 6. Surface temperature of battery change curve under 3.0 C discharge rate at different ambient temperature由图 3~6的结果可得锂离子电池在不同温度、不同放电倍率下温升大小，具体数值如表 1所示.
表 1 不同环境温度和不同放电倍率下的锂离子电池温升Table 1. Temperature rise of Li-ion at different ambient temperature and different discharge rates℃ 环境温度/℃ 0.5 C 1.0 C 2.0 C 3.0 C 60 3.1 7.3 18.2 28.7 40 3.2 7.4 21.6 37.2 25 4.1 11.2 28.2 45.2 10 4.5 12.5 29.5 46.9 0 6.0 14.0 31.8 49.5 -10 9.6 18.7 36.3 53.8 1) 同一放电倍率下，环境温度越低，放电完成后锂离子电池的温升越大.这是由于环境温度越低，电解液的导电性能越差，锂离子电池的内阻越大，发热功率越大，锂离子电池的温升随之越大.
2) 环境温度越低，锂离子电池放电初期的温升速率越大.为研究放电初期锂离子电池的温升速率情况，取放电过程的前10 min锂离子电池温度变化情况作为参考，以2.0 C倍率放电为例，锂离子电池的温升与环境温度的关系如表 2所示.
表 2 2.0 C放电过程的前10 min电池温升Table 2. Battery temperature rise in the first 10 minutes during 2.0 C discharge rate环境温度/
℃放电时间/
min温升/
℃温升速率/
(℃·min-1)60 10 10.1 1.01 40 10 12.3 1.23 25 10 13.9 1.39 10 10 17.2 1.72 0 10 19.3 1.93 -10 10 24.5 2.45 3) 相同倍率下，环境温度越低，放电过程的时间越短，相应的放电容量越少，即环境温度越低，锂离子电池的放电性能越差.
3. 锂离子电池充电热特性研究
3.1 充电倍率对锂离子电池热特性的影响
为研究充电倍率对锂离子电池热特性的影响，室温下对电池进行充电试验，试验步骤与放电试验相似，首先，室温下以1.0 C倍率将锂离子电池放空，搁置1 h；以某一倍率进行恒流-恒压充电.不同倍率充电过程的温度曲线如图 7所示.
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图 7 不同充电倍率下电池表面温度变化曲线Figure 7. Surface temperature of battery change curve at different charge rates从图 7的结果可以看出：
1) 恒流充电阶段温度升高，恒压阶段温度降低.这是由于电池的产热主要有焦耳热和极化反应热(充电表现为吸热)，当充电电流较小时，极化反应热所占比例较大，恒流阶段的电流较恒压阶段大且维持恒定，因此，电池的发热量大，温度持续上升；恒压阶段电流不断减小且由于极化反应热的作用，导致电池发热量逐渐减小，温度逐渐降低.由于0.2 C倍率充电时锂离子电池发热量较小且恒压阶段时间较短，故恒压阶段电池的温度变化不太明显.
2) 恒流充电阶段，随着充电倍率的增大，锂离子电池的发热功率增大，温升增大. 0.2 C充电时最高温度为28.7 ℃，0.5 C充电时最高温度为29.9 ℃，0.75 C充电时最高温度为34 ℃，1.0 C充电时最高温度为36.1 ℃.相同倍率下，充电过程中锂离子电池的温升比放电过程小.
3) 恒流-恒压充电过程中，恒流充电过程是锂离子电池内部热量积聚的重要阶段.
3.2 环境温度对锂离子电池充电过程热特性的影响
为研究环境温度对充电过程电池生热特性的影响，对电池进行不同环境温度和不同充电倍率的充电试验，记录试验过程中电池的温度数据，绘制不同温度下、不同倍率充电过程锂离子电池的温度曲线，由于充电过程中锂离子电池的整体温升较小，以1.0 C倍率恒流-恒压充电为例进行研究和分析，如图 8所示.
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图 8 不同环境温度下1.0 C充电过程电池表面温度变化曲线Figure 8. Surface temperature of battery change curve under 1.0 C charge rate at different ambient temperature从图 8的结果可以看出：
1) 相同充电倍率下，环境温度越低，恒流充电阶段锂离子电池温升越大. -10 ℃时的最大温升为13.4 ℃，25 ℃时的最大温升为11.1 ℃，而40 ℃充电时的最大温升为7.0 ℃.
2) 环境温度越高，恒流充电阶段锂离子电池的温升速率越小.由于低温充电时恒流阶段时间较短，为说明此现象，故取前10 min作为参考，得到恒流充电初期锂离子电池的温升速率情况如表 3所示.
表 3 1.0 C充电过程的前10 min电池温升Table 3. Battery temperature rise in the first 10 minutes during 1.0 C charge ratio环境温度/
℃充电时间/
min温升/
℃温升速率/
(℃·min-1)40 10 3.7 10.00 20 10 5.6 0.56 10 10 6.7 0.67 0 10 7.9 0.79 -10 10 9.9 0.99 3) 环境温度越低，充电过程的时间越长，-10 ℃与25 ℃相比，充电时间由111.6 min增加到340.5 min，增加了205.1%，严重影响了锂离子电池的充电性能.
4. 低温加热对锂离子电池性能的影响
由锂离子电池充放电过程的热特性试验可知，低温环境下，锂离子电池的充放电性能下降，为研究低温下加热对电池充放电性能的影响，采用电加热膜对低温下的锂离子电池加热并进行充放电试验.
电加热膜以金属箔、金属丝为内导电发热体，经高温高压热合而成，当有电流通过时，电发热体会生热，产生的热量通过电加热膜的另一侧可以均匀地传递给锂离子电池，实现加热锂离子电池的目的，加热膜的供电电压为12 V，功率为15 W.加热试验的具体操作为：将锂离子电池外敷电加热膜，搁置在-10 ℃的恒温箱内5 h，电加热膜工作5 min后(锂离子电池的表面温度由-10 ℃上升到11 ℃)进行充/放电试验. 图 9和图 10为充/放电过程中加热前和加热后的容量比较.
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图 9 加热前/后电池的1.0 C充电容量对比Figure 9. Capacity comparison before and after heating during 1.0 C charging![]()
图 10 加热前/后电池的2.0 C放电容量Figure 10. Capacity comparison before and after heating during 2.0 C discharging从图 9和图 10的结果可以看出：加热后，充电容量由2 869.2 mA·h增加到2 986 mA·h，锂离子电池的充电性能得到提高；放电容量由加热前的2 445.3 mA·h增加到了2 540 mA·h，放电电压平均提高了0.15 V，增大了锂离子电池的放电功率.因此，为提高锂离子电池的低温性能，需要有效的锂离子电池加热方法.
5. 结论
1) 同一倍率下，充电过程中锂离子电池的温升比放电过程小.
2) 环境温度越低，锂离子电池充/放电过程的温升越大；充/放电电流越大，电池的温升速率越大.
3) 低温环境下对锂离子电池加热可以提高其充/放电性能，因此，有效的锂离子电池热管理可以改善其低温性能.
4) 本文所用试验方法和结论可为锂离子电池的热特性分析建模、热管理系统设计提供理论依据和技术支撑；对其他类型电池的相关研究及工程应用具有一定的参考意义.
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图 1 锂离子电池热特性试验平台
Figure 1. Li-ion battery thermal characteristics experimental platform
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图 2 不同放电倍率下电池表面温度变化曲线
Figure 2. Surface temperature of battery change curve at different discharge rates
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图 3 不同环境温度下0.5 C放电过程电池表面温度变化曲线
Figure 3. Surface temperature of battery change curve under 0.5 C discharge rate at different ambient temperature
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图 4 不同环境温度下1.0 C放电过程电池表面温度变化曲线
Figure 4. Surface temperature of battery change curve under 1.0 C discharge rate at different ambient temperature
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图 5 不同环境温度下2.0 C放电过程电池表面温度变化曲线
Figure 5. Surface temperature of battery change curve under 2.0 C discharge rate at different ambient temperature
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图 6 不同环境温度下3.0 C放电过程电池表面温度变化曲线
Figure 6. Surface temperature of battery change curve under 3.0 C discharge rate at different ambient temperature
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图 7 不同充电倍率下电池表面温度变化曲线
Figure 7. Surface temperature of battery change curve at different charge rates
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图 8 不同环境温度下1.0 C充电过程电池表面温度变化曲线
Figure 8. Surface temperature of battery change curve under 1.0 C charge rate at different ambient temperature
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图 9 加热前/后电池的1.0 C充电容量对比
Figure 9. Capacity comparison before and after heating during 1.0 C charging
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图 10 加热前/后电池的2.0 C放电容量
Figure 10. Capacity comparison before and after heating during 2.0 C discharging
表 1 不同环境温度和不同放电倍率下的锂离子电池温升
Table 1 Temperature rise of Li-ion at different ambient temperature and different discharge rates
℃ 环境温度/℃ 0.5 C 1.0 C 2.0 C 3.0 C 60 3.1 7.3 18.2 28.7 40 3.2 7.4 21.6 37.2 25 4.1 11.2 28.2 45.2 10 4.5 12.5 29.5 46.9 0 6.0 14.0 31.8 49.5 -10 9.6 18.7 36.3 53.8 
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表 2 2.0 C放电过程的前10 min电池温升
Table 2 Battery temperature rise in the first 10 minutes during 2.0 C discharge rate
环境温度/
℃放电时间/
min温升/
℃温升速率/
(℃·min-1)60 10 10.1 1.01 40 10 12.3 1.23 25 10 13.9 1.39 10 10 17.2 1.72 0 10 19.3 1.93 -10 10 24.5 2.45
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表 3 1.0 C充电过程的前10 min电池温升
Table 3 Battery temperature rise in the first 10 minutes during 1.0 C charge ratio
环境温度/
℃充电时间/
min温升/
℃温升速率/
(℃·min-1)40 10 3.7 10.00 20 10 5.6 0.56 10 10 6.7 0.67 0 10 7.9 0.79 -10 10 9.9 0.99
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