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电动汽车用锂离子电池热特性试验研究

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第43卷第11期 2017年11月北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYVol.43 No.11

Nov. 2017

电动汽车用锂离子电池热特性试验研究冯能莲\陈龙科\邹广才2(1.北京工业大学环境与能源工程学院，北京100124;2.北京汽车集团有限公司，北京101300)

摘要：为研究锂离子电池的热特性，以3200mA*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.

关键词：锂离子电池；电动汽车；热特性；热管理系统中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：0254 -0037(2017)11 -1737 -06

doi： 10.11936/bjutxb2017020006

Experimental Study of Thermal Characteristics of Li-ion Batteryin Electric Vehicles

FENG Nenglian1，CHEN Longke1，ZOU Guangcai2 (1. College of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2. Beijing Automobile Group Co.，Ltd.，Beijing 101300，China)

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. Key words ： lithium-ion battery ； electric vehicles; thermal characteristics; thermal management system

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益和45益时工作800个循环之 后，电池容量分别下降31%和36% ；当工作温度为 55益时，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益和60益环境中放 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益时循环寿命为3 323次，而在60益时仅 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

收稿日期：2017-02-08

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51075010)；北京市教育委员会重点资助项目（KZ200910005007)

作者简介：冯能莲（1962—），男，教授，主要从事新能源汽车、智能车辆、汽车电子方面的研究，E-mail：fengnl@bjut.edu.cn1738北京工业大学学报

2017 年

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伊 540 mm X 1 040 mm， 内部工作室尺寸为350 mm X 400 mm X 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益.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.

图1锂离子电池热特性试验平台Fig. 1 Li-ion battery thermal characteristics experimental platform

2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益.

Fig. 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，锂离子电池的温度速上升.0.5 C放电过程的温度从25.0益上升到 29. 1益，上升了 16. 4% ;1. 0 C放电过程的温度从 25. 0益上升到36. 2益，上升了 44. 8% ;2. 0 C放 电过程的温度从25.0益上升到53. 2益，上升了 112. 8% ;3. 0 C放电过程的温度从25. 0益上升到 70. 2益，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（臆1.0 C)放电时，锂离子电池的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)逸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% 臆 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益/min，放电中期为0. 195益/min，放电末期为0.240益/min.3) 高倍率（逸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益，已经超出了电池正常工作温度 范围-20益〜60益.因此，电池进行大倍率放电 时，必须采取相应的冷却措施.第11期冯能莲，等：电动汽车用锂离子电池热特性试验研究17392.2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.

80 r

60-

-201-------1-------'—0 50 100"min60 °C 40 °C25 °C10 °c o°c -10 °c150 200

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Fig. 3 Surface temperature of battery change curve under 0. 5 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Fig. 5 摇 Surface temperature of battery change curve under 2. 0 C discharge rate at different ambient temperature

100

60 °C ——10 °C 40 °C ——0°C 25 °C ——-10 °C

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Fig. 6 摇 Surface temperature of battery change curve under 3. 0 C discharge rate at different ambient temperature

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车用动力锂电池产热机理研究现状李斌;常国峰;林春景;许思传【摘要】精确的锂离子电池产热量是电动汽车电池包热管理设计的基础.总结了现有锂离子电池产热模型,指出Bernadi产热模型在计算电池产热时通用性较高.整理了3种测量温熵系数dE/dT的方法:直接测量法、可逆热等值法以及极化热扣除法.给出了Bernadi产热模型关键参数温熵系数dE/dT特征值,为各类锂离子电池包产热计算提供了依据.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2014(038)002【总页数】4页(P378-381)【关键词】锂离子电池;产热机理;温熵系数【作者】李斌;常国峰;林春景;许思传【作者单位】同济大学汽车学院,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804;同济大学汽车学院,上海201804;同济大学新能源汽车工程中心,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TM912.9电动汽车(EV和HEV)在使用过程中“零排放”和高效率的特点日益突显其对于减少环境污染及石油依赖度的重要性，世界各国及主要汽车集团均提出了一系列振兴电动汽车产业的规划。

锂离子电池作为电动汽车动力输出的主要能量来源，其性能及寿命与其工作温度密切相关，需要采用有效的热管理措施以保证其在不同环境及使用条件下正常工作。

为指导电动汽车电池包的热管理方案设计，需要研究电池在不同使用条件下的产热散热情况，建立锂离子电池热模型。

锂离子电池产热模型不断发展，按模型原理可分为电化学-热耦合模型，电-热耦合模型和热滥用模型，按模型维度又可分为集中质量模型(零维模型)、一维模型、二维模型和三维模型[1]。

电池充放电过程中的内部产热是极其复杂的，为了能够建立精确的产热模型，需要研究在任意充放电时刻及电池温度下的电化学反应速率不同以及电池内部的电流密度不均匀分布引起的各类反应热、焦耳热[2]，但该种方法往往需要大量的实验数据以确定电池产热模型中的各个参数，费时费力。

纯电动汽车锂电池管理系统的研究

纯电动汽车锂电池管理系统的研究

纯电动汽车锂电池管理系统的研究摘要:随着全球经济发展以及能源、环保等问题的日益突出,汽车产业向节约能源的绿色汽车业转型,电动汽车以零排放和噪声低等优点已成为节能环保绿色车辆最主要的发展方向之一,新能源汽车已被世界各国所看重,这是汽车产业的发展趋势,也是时代的产物。

作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统研究是解决该问题的关键,倍受人们的关注,是电动车产业化的关键。

关键词:电动汽车电池管理系统锂电池我国汽车产销量和保有量迅速增长,2011年8月底,全国机动车保有量达到2.19亿辆。

其中,摩托车占54.12%,约为1.19亿辆。

汽车保有量占机动车总量的45.88%,刚刚超过1亿辆。

我国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中,而机动车污染排放是城市空气污染的主要来源之一。

经过10年左右的研发投入与攻关,我国新能源汽车(电动汽车)已经形成“三纵三横”的研发格局。

“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车;“三横”就是多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统。

动力电池是电动汽车的动力源。

本文介绍动力锂电池、动力电池组的均衡技术、动力电池SOC估计等方面。

1 动力锂电池锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点,而且锂离子电池的放电曲线很平缓,可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。

因此,锂电池成为车用动力电池的主选之一。

(1)锂电池管理系统。

主要包括以下四个方面:①保障各节电池容量的均匀性;②及时诊断出电池出现的问题;③防止电池的过充电和过放电;④准确地获得电池的荷电状态(SOC)。

(2)动力锂电池管理系统功能。

①电池工况监测:实时采集的数据有单体模块电池电压,电池总电压、电池总电流、以及多点温度等。

②剩余电量(SOC)估计:电池剩余能量相当于传统车的油量。

系统应在线采集电流、电压等参数,通过相应的算法进行SOC的估计。

电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展

电动汽车锂离子电池脉冲加热技术研究进展

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廉玉波;凌和平;马晴婵;任强;贺斌
【期刊名称】《汽车工程》
【年(卷),期】2023(45)2
【摘要】低温环境下,电动汽车锂离子电池存在可用容量降低、充电困难和循环寿命衰减等问题,严重制约了锂离子电池的应用,因此,确保锂离子电池在合适的温度范围内运行至关重要。

电池脉冲加热技术具有加热速率快、温度均匀性好和系统结构简单等优势,是解决锂离子电池低温应用难题的有效手段。

本文中从脉冲加热方案、脉冲控制参数和脉冲加热策略3个方面对脉冲加热技术的研究进展进行了综述。

首先,介绍现有脉冲加热方案优劣势,其次,总结不同脉冲控制参数下锂离子电池的温升和容量衰减特性,最后,对比不同脉冲加热策略对锂离子电池低温性能的影响,指出脉冲加热技术未来发展的方向。

【总页数】6页(P169-174)
【作者】廉玉波;凌和平;马晴婵;任强;贺斌
【作者单位】比亚迪汽车工业有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM9
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锂离子电池燃烧特性及火灾危险性研究

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锂离子电池燃烧特性及火灾危险性研究汪书苹;陈伟;陈国宏;徐丽;金翼;缪永华;盛鹏【摘要】为研究锂离子电池在充电过程中的火灾危险性,以电动汽车最常用的磷酸铁锂电池为研究对象,利用ISO 9705全尺寸房间火标准测试平台的燃烧间搭建试验平台,对竖直和水平放置方式下不同充电倍率的锂离子电池进行燃烧试验,获得不同工况下锂离子电池的火灾行为、表面温度和周围温度场分布、质量损失速率等;根据燃烧结果分析不同充电模式下锂离子电池的燃烧特性,由此评估电池的火灾危险性.结果表明:快速充电的锂离子电池点燃时间短且燃烧强度强,火灾危险性较大;竖直放置的锂离子电池易发生爆燃现象,其火灾危险性比水平放置的要大.【期刊名称】《电力安全技术》【年(卷),期】2019(021)003【总页数】7页(P40-46)【关键词】锂离子电池;燃烧特性;放置方式;充电倍率;火灾危险性【作者】汪书苹;陈伟;陈国宏;徐丽;金翼;缪永华;盛鹏【作者单位】国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽合肥230022;国网安徽省电力有限公司,安徽合肥230022;国网安徽省电力有限公司电力科学研究院,安徽合肥230022;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209;中国电力科学研究院有限公司,北京 100085;中天储能科技有限公司,江苏南通226406;全球能源互联网研究院有限公司,北京102209【正文语种】中文【中图分类】TM9120 引言作为电动汽车主要动力系统之一的锂离子动力电池,一方面,因其具有能量密度高、快速充放电产热量大等特点,存在很大的火灾风险和危害性,是电动汽车发生火灾的主要危险源；另一方面,锂离子电池在火灾特性、消防设施的运用和管理方面都有自身的特点,与一般传统的仓库的火灾危险性不同。

这导致目前电动汽车运营场所内配置的火灾探测系统、灭火系统等,不能起到早期报警和控制锂离子电池火灾的作用。

因此,研究锂离子电池火灾特性,分析其危险性,对提高锂离子动力电池的安全性和电动汽车充换电站的安全性,是具有重要意义的。