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環(huán)境溫度對NCM動力電池系統(tǒng)充放電性能的實驗研究
2020-12-23 23:29:41· 來源：1.江西江鈴集團新能源汽車有限公司，江西省新能源汽車動力總成
引言從圖2 2019年上半年的新能源乘用車銷量可以看出，新能源汽車的主要應(yīng)用區(qū)域位于長城以南，廣東省以北（含廣東省）。這些地區(qū)的全年溫度大多較為適宜，環(huán)境溫
引言
從圖2 2019年上半年的新能源乘用車銷量可以看出，新能源汽車的主要應(yīng)用區(qū)域位于長城以南，廣東省以北（含廣東?。＿@些地區(qū)的全年溫度大多較為適宜，環(huán)境溫度不會過低，也不會過高；全國的其他區(qū)域的城市由于低溫或者高溫的原因不適宜于新能源汽車的應(yīng)用。
動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的動力源，動力電池系統(tǒng)的充放電性能直接決定電動汽車性能，如續(xù)駛里程、安全、經(jīng)濟性、環(huán)境適用性和駕駛體驗等。因此，探討環(huán)境溫度對動力電池系統(tǒng)充放電性能的影響具有重要的意義。
目前有關(guān)環(huán)境溫度對NCM動力電池系統(tǒng)的充放電性能研究仍然較少，主要集中在環(huán)境溫度對磷酸鐵鋰電芯的充放電性能的影響，電芯的低溫特性的研究。本文以車用鋰離子動力電池為研究對象，以3P81S動力電池系統(tǒng)為具體的試驗對象，從總電壓、溫升、溫差、容量能量等方向研究環(huán)境溫度對電池系統(tǒng)充放電性能的影響。
1 實驗條件及方案
1.1 實驗對象
本文的實驗對象為3并81串動力電池系統(tǒng)，如圖3所示；由273個36Ah鎳鈷錳(LiNiMnCo02)三元電芯組成，動力電池系統(tǒng)的部分參數(shù)和電芯規(guī)格參數(shù)見表1。
圖4為動力電池系統(tǒng)內(nèi)部，其中1號模組是將25串電芯疊在一起豎立放置；2號模組和5號模組為3串累疊電芯組，4個累疊的3串電芯串聯(lián)并排放置構(gòu)成3P12S,即該類模組中有8個電芯的最大表面未與電芯的表面疊靠；相較3P12S模組，3號模組和4號模組多了一組4串累疊的電芯組。該動力電池系統(tǒng)共16個溫度傳感器，其中1號模組(3P25S)有4個傳感器；其余4個模組，每個模組3個溫度傳感器。
1.2 實驗設(shè)備
動力電池測試系統(tǒng)（圖5)能滿足新能源汽車動力電池、電機臺架測試和模擬電源、充電機，并進行全系列工況的模擬測試。
• 輸入規(guī)格AC380V(-15%-+15%)50Hz土5Hz
• 最大輸出電壓500V最大輸出電流200A最大輸出功率44kW
• 峰值輸出電流1.5倍(300A<60s)
• 峰值輸出功率1.2倍(52.SkW)30min
• 電流檢測分辨率20mA
• 電壓檢測分辨率20mV
• 通信方式1路以太網(wǎng)、2路CAN、2路RS485
• 環(huán)境倉適用范圍：溫度(-20-60°C)；濕度(30%-95%RH)。
1.3 實驗方案
標準充電：0.SC(54A)充電至最高單體電壓4.15V轉(zhuǎn)恒壓充電（最高單體電壓維持4.15V電流降低）。
標準充電：lC(108A)放電至最低單體電壓3.0V。
測試l
放電測試：室溫下標準放電，環(huán)境適應(yīng)后，進行標準充電，環(huán)境適應(yīng)后，標準放電，測試工步見表2。
測試2
充電測試：室溫下標準放電，環(huán)境適應(yīng)后，進行標準充電，環(huán)境適應(yīng)，標準放電，測試工步見表3。
測試3
l)能量效率測試：由室溫下標準充電，25°C環(huán)境適應(yīng)后，標準放電，25°C環(huán)境適應(yīng)后，進行標準充電，25°C環(huán)境適應(yīng)，標準放電。心室溫下標準充電，40°C環(huán)境適應(yīng)后，標準放電，40°C環(huán)境適應(yīng)后，進行標準充電，40°C環(huán)境適應(yīng)，標準放電。＠室溫下標準充電，0°C環(huán)境適應(yīng)后，標準放電，0°C環(huán)境適應(yīng)后，進行標準充電，0°C環(huán)境適應(yīng)，標準放電。
2)放電內(nèi)阻測試：電池的能量表征了電池在放電過程中的所能放出的電量，目前用得最多的容量能量計算表達式為：
式中，V為動力電池系統(tǒng)端電壓(V);I為動力電池系統(tǒng)充放電電流(A);C為動力電池系統(tǒng)充放電容量(A·h);E為動力電池系統(tǒng)充放電能量(kW•h);t為充放電時間(h)。
2 測試結(jié)果與分析
2.1 環(huán)境溫度對放電性能的影響
2.1.1 放電容量能量
在相同充電條件下，隨環(huán)境溫度的下降，動力電池系統(tǒng)放電能量與放電容量不斷降低（圖6)。這主要是由于充放電的截止電壓是固定的，而溫度會影響電池的充放電電壓。放電時，溫度越低，相同放電電流，放電電壓越小，達到放電截止電壓的時間更短，電池放出來的容量更少；同時由于放電電壓低，故放出來的電量更少。
在同一環(huán)境溫度下，放電倍率越高，放電容量越小；在相同倍率下，溫度約高，放電容量越大，如圖7所示。
圖7表征了－20°C、-lOt、0°C三個環(huán)境溫度下不同串號電芯的放電能量，環(huán)境溫度越低，電芯的放電能量差異越大；在－20°C、-lOt、0°C三個環(huán)境溫度下，放電能力最小的電芯集中于1號和25號電芯，且1號電芯和25號電芯的放電能量基本一致，而2號～24號電芯的放電能量基本一致。在不同溫度下，其余模組的電芯放電電量較低的點均在固定串號。－20°C、-lOt、0°C個串號電芯放電能量的大小具有一定的規(guī)律性。
圖8所示為動力電池系統(tǒng)內(nèi)部，單電芯放電能量對比圖，可以看出處于中間的電芯放電能量較其他電芯放電能量要高。中間處電芯雙面都與電芯表面接觸，散熱不及時，電阻相對較小，電壓高；放電時間和電流相等，電壓越大，放電能量越大。電芯最大表面有一側(cè)與電芯接觸，另一側(cè)與模組固定支架接觸，熱量損失更快，電芯內(nèi)部溫度降速更快，內(nèi)阻更大，放電能量更低。1號模組的端面與金屬端板接觸，金屬端板的吸熱較模組支架吸熱快，導致1號模組端面電芯的放電能量較2~5號模組的表面電芯更?。▓D9)。
2.1.2 放電溫度變化
在－20°C環(huán)境下，放電產(chǎn)生的溫度分布如圖10所示，極端溫度發(fā)生于1號模組(3P25S)，且最低溫度位于1號模組的兩側(cè)；最高溫度位于1號模組的中部。
如圖11所示，在相同放電倍率、相同的放電截至條件下，隨放電初始溫度（環(huán)境溫度）的升高，動力電池系統(tǒng)放電溫升和溫差不斷降低，且放電的溫升與溫差基本同步。
如圖12所示相同溫度下，放電倍率越大，溫升和溫差也越大。
如圖13所示，在3P25S模組上，l、4號位置的溫度明顯低于2、3號位置的溫度；且其余模組上溫差明顯小于3P25S模組。
如圖14所示，溫度越低，放電產(chǎn)生的溫度變化越劇烈，隨著動力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高，溫度變化率也逐漸下降。
2.1.3 放電電壓變化
如圖15所示，隨環(huán)境溫度（初始溫度）增加電池動態(tài)總電壓變大，且在低溫環(huán)境下，。在不同環(huán)境溫度（初始溫度）下動態(tài)總電壓差距更為明顯，環(huán)境溫度（初始溫度）在25°C以上，放電的動態(tài)總電壓基本一致；環(huán)境溫度（初始溫度）在25°C以下，隨環(huán)境溫度（初始溫度）放電的動態(tài)總電壓下降迅速。
如圖16所示，對內(nèi)阻測試分析，電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度越低，內(nèi)阻越大，放電時的動態(tài)總電壓越小。
如圖17所示，在不同溫度下，動力電池系統(tǒng)內(nèi)部不同串號的電芯放電末端電壓呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，1號和25號電芯的放電末端電壓最小，2~24號電芯放電末端電壓大小基本相同；隨著環(huán)境溫度升高，放電末端電壓的這種規(guī)律性逐漸消失，在環(huán)境溫度40°C下放電，電芯的放電末端電壓已經(jīng)不會出現(xiàn)類似的規(guī)律。
2.2 環(huán)境溫度對充電性能的影響
2.2.1 充電容量
由圖18可知，在不同倍率下，隨環(huán)境溫度（初始溫度）升高，動力電池系統(tǒng)的充電能量和可充容量逐漸升高；且在10~25°C環(huán)境下，溫度對動力電池系統(tǒng)充電充電容量的影響較小。
2.2.2 充電溫度
從圖19所示的測試數(shù)據(jù)中可以分析得到，隨環(huán)境溫度升高，動力電池系統(tǒng)充電溫升和溫差在降低；且隨著倍率增大，其對溫升和溫差的影響越大。
2.2.3 充電電壓
由圖20 a－c隨溫度降低，隨著溫度降低，動力電池系統(tǒng)總電壓升高，特別在充電起始階段，由動力電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度一致，動力電池系統(tǒng)總電壓受環(huán)境溫度的變化最為明顯。隨著充電的進行，系統(tǒng)內(nèi)部溫度升高，動力電池系統(tǒng)總電壓的差距越來越小。隨充放電倍率的增加，動力電池系統(tǒng)的整體偏離程度也不一樣，充電倍率越大，動力電池系統(tǒng)總電壓差異性越大。這種偏離程度體現(xiàn)在充滿電所需要消耗的能量上，越高的環(huán)境溫度，充滿電所需要的能量越大。
3 能量效率測試
將電池在放電時放出的能鼠（即電池輸出能量）與電池在充電時消耗的能量（即充放電設(shè)備輸出能量）之比定義能量效率。反應(yīng)了在一個充放電循環(huán)中動力電池系統(tǒng)自身損耗的能量多少，故經(jīng)常用于測試電池在一個完整循環(huán)中的能量效率，其數(shù)值也可作為電池的一個性能指標。
本次測試是分別在0°C、25°C、40°C靜置后進行0.5C恒流充電至最高單體電壓4.15V,轉(zhuǎn)恒壓充電至充電電流變?yōu)镺.lC;O°C、25°C、40°C下靜置至動力電池系統(tǒng)溫度與環(huán)境溫度一致，然后在對應(yīng)環(huán)境溫度下進行l(wèi)C恒流放電，測試結(jié)果見表3。隨初始溫度（環(huán)境溫度）升高，動力電池系統(tǒng)能量效率增大。
相同的充電條件(25°C環(huán)境溫度下，0.5C恒流充電至最高單體電壓4.15V,轉(zhuǎn)桓壓充電至充電電流變?yōu)?.lC),不同環(huán)境溫度(-20-40°C)下，進行l(wèi)C放電。相對25°C能量效率可以等同于放電效率的特性，隨著環(huán)境溫度升高，放電效率提高（圖21)。
4 結(jié)論
本文對鎳鈷錳三元梩離子動力電池系統(tǒng)進行不同環(huán)境溫度下的充放電實驗，并對分析研究環(huán)境溫度對鎳鈷錳三元梩離子動力電池系統(tǒng)充放電性能的影響。
1) 環(huán)境溫度越低，相同倍率下電池系統(tǒng)釋放放電容量能量越低，溫升溫差也隨之升高；在低溫情況下，隨著放電內(nèi)阻降低，放電電壓呈現(xiàn)先升后降；不同倍率下，相同的環(huán)境溫度，倍率越大，溫升、溫差也越大。
2) 電芯的放電容量、電池系統(tǒng)內(nèi)部溫升均會受到電芯與空氣接觸面積影響，在0°C環(huán)境情況下，與空氣接觸面積越大，電芯放電容量能量越??；電芯溫升也越小。
3) 環(huán)境溫度越低，相同倍率下電池系統(tǒng)充電容量能量越高，溫升溫差也隨之升高；不同倍率下，相同的環(huán)境溫度，倍率越大，溫升、溫差也越大。隨初始溫度（環(huán)境溫度）升高，動力電池系統(tǒng)能量效率增大。
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