1、4 82 0 1 3 年第 卷 第期温度对锂离子电池脉冲充放电特性的影响吴红杰， 谢旺， 黄宏成， 袁世斐上海交通大学机械与动力工程学院， 汽车电子控制技术国家工程实验室， 上海摘要：对锂离子电池脉冲充放电特性进行了 实验研究 ，计算了电池在不同状态下的内阻和开路电压， 建立了 电池汗路电压和内阻图谱。 在 到 的温度范围 内 ，研究了电池脉冲特性的变化规律。试验方法和电池脉冲特性参数计算方法以及实验结果可用于电池特性评估或电池数学模型的建立。关键词： 锂离子电池； 电池特性； 内 阻；电池模型中图分类号：。引言锂离子蓄电池具有能量密度大和功率密度高的特点逐步成为混合动力汽车或纯电动汽车的动力
2、源之一。 当车辆进行加速或减速的时候， 电池进行脉冲放电或脉冲充电。 在车辆运行过程中， 锂离子电池的功率随行驶路况和驾驶员操作具有很强的动态特征 在电动车设计时， 要保证电池工作在合理的电压范围内 。 电池脉冲特性分析和准确的电池模型也是整车控制策略的基础 。 本论文对一种锂离子动力电池的脉冲充放电特性进行了实验研究， 在实验的基础上计算电池内阻、 开路电压等特性参数， 并对不同温度下的特性进行了分析。锂离子电池的脉冲特性技术参数锂离子电池的技术参数主要包括电池的容量、 内阻、 充电电压、 放电电压等。 锂离子电池的反应过程是一个电化学的反应， 具有典型的非线性、 时变特征。 电池性能受多方
3、面的影响， 如电极的结构 （ 电极厚度、 髙宽比例、 孔隙率等） 、 制造工艺、 充放电制度等。 其中 ，电池结构和制造工艺决定电池的容量、 寿命等特性。而电池充放电制度对电池动态脉冲特性具有较大影响。 充放电制度是指在特定的温度条件下， 包括一定次序进行的放电， 静置和充电等步骤， 并且每步需要设定该步骤执行的时间、 电流、 电压或功率值。实验过程中， 电池电压可以直接测量得到， 是评价电池性能的重要指标。 电池的电压有端电压、开路电压、 终止电压等。 端电压是当电池接通负荷后， 有电流流经时， 电池两极上基金项目： 高等学校博士学科点专项科研基金资助课题 国家高技术研究发展计划作者简介：
4、吴红杰， （ 男， 讲师， 主要研究方向：汽车电子控制系统2 0 1 3 年第卷 第 期测得的电压。 端电压随充放电时间变化的曲线， 称为充电或放电曲线 。 电池在开路状态下，即外电路电流为零时， 正负电极间的电位差， 称为开路电压。 终止电压， 是指在充放电过程中， 达到充放电截止条件时的电池电压。电池的容量是指在一定的放电条件下， 可以从电池获得的电量， 单位为安培 小时， 简称安时 （ 。 电池的容量可分为理论容量、 额定容量、 标称容量以及实际容量等。实际容量是在一定的放电制度下， 电池实际能放出的电量。 它等于放电电流与放电时间的乘积， 数值上要小于理论容量。 用来描述电池的剩余电量
5、或能量的参数。 也有一些文献使用放电深度 （ 来描述电池的电量状态。电池的温度对电池性能具有重要的影响。 电池的温度升高使得电池活性物质的活性增加， 可提高电池的充放电电压、 效率和可用容量。 但是电池温度过高， 又会抑制反应的进行，降低电池性能， 并会造成电池爆炸的危险， 同时电池长时间工作在高温环境下电池的寿命也会明显的缩短。 电池的温度低的时候， 电池的活性明显降低， 电池的内阻、 极化电压增加，实际可用容量减少， 放电平台低、 电池更容易达到放电截止电压， 表现为电池的可用容量减小， 电池的能量利用效率下降。 上述定性分析了温度对电池性能影响， 本文通过实验定量测试温度对电池脉冲特性的
6、影响规律。试验对象和方法电池组是由 节、 磷酸铁锂单体电池串联而成。单体电池的技术参数如表 所示。表 磷酸铁锂电池单体技术参数“士 试验装置主要由温湿度振动综合试验箱、 充放电设备及单体电池监测模块等组成。 实验时， 将电池放置在综合实验箱内 。 图 是电池组测试设备框架图。絲试柳都 效 ！远程搡作系统 据激 系技图 电池组测试设备框架图脉冲特性实验釆用了混合脉冲功率性能测试方法 测试（。 在允许的电压范围内 ， 对电池进行脉冲放电和充电， 测试其动态功率特性。测试的主要目标是确定以下参数与 的函数关系： （ 在 放电脉冲结束时 放电功率能力 ； （ 在 脉冲充电结束时 充电脉冲功率能力。 这
7、些功率能力5 02 0 1 3 年第卷 第 期可用于其他性能测试， 如有效能量和有效功率等。测试的另外一个目的是根据电池在放电、 搁置和脉冲充电过程中的电压特性曲线， 得出电池直流阻抗 （欧姆内阻） 和电池极化阻抗与荷电状态 （ 的函数关系。 阻抗的测量值可被用于评估寿命测试过程中的阻抗衰退， 也可用于建立电池数学模型。试验时， 首先将电池放置在一定的温度下， 然后进行如下步骤：采用恒流恒压充电方式， 将电池电量充满， 静置按照 电流放电 容量 （按该温度下静态容量计算， 设定放电时间）后停止放电， 静置 记以 电流放电 后停止放电， 静置 再以 电流充电 后停止充电， 静置依次重复、 步，
8、每个循环放电 容量， 记 。 、直至放电终止。在、 等几种典型温度下进行 试验中的电流变化情况如图 所示。、口门门门 门门一图 试验电流变化情况试验结果分析试验是为了测试电池组的动态特性， 每个循环依次包括 的脉冲放电过程、 间歇 的静置、 的脉冲充电过程， 以及一段时间的恒流放电过程。 在每个循环当中 ， 脉冲电流变化曲线、 电池组的电压响应曲线如图 所示。2 0 1 3 年第卷 第 期丁陳！、丨“；图 试验电流电压变化曲线从图 可以看出 ， 时刻， 电池放电， 电流突变， 电池电压亦发生瞬间突变， 与纯电阻特性一致； 、至 这段时间内 ， 电池电压逐渐下降， 其变化率越来越小， 对应电池电
9、压的极化效应； 时刻， 电流为零， 电池电压亦呈现瞬时上升， 然后逐渐上升 ， 变化率越来越小 ；充电过程具有类似现象。 电池在脉冲电流激励下的直流内阻计算公式为通过上述公式计算的到的脉冲电阻，是特定温度及 下的阻值， 包含了欧姆电阻及极化电阻。 通过不同温度下的 试验， 就可获得脉冲充电电阻和放电电阻随温度及值的变化曲线， 如图 、 图 所示。、一、愈一、 令二图 脉冲放电电阻随温度及 的变化曲线5 22 0 1 3 年第 卷 第 期凝孩一 雄“ “ “一一“、 、 米 米米 来图 脉冲充电电阻随温度及 的变化曲线电池充电或放电完毕后 ， 电流迅速变为零， 而电压恢复过程具有一定的延时特点，
10、 如图所示。 可以看出 ， 电池组在放电完成后的短时间， 端电压将迅速恢复上升， 然后再接下来的时间内 ， 上升速率减小， 端电压缓慢上升， 在 末端， 变化微乎其微。 故本文选取静置后的端电压值， 作为电池组在各 水平下的开路电压 。图 电池组放电完成后端电压恢复曲线在 试验循环中 ， 电池组端电压变化迅速。 脉冲电流放电时 ， 端电压急速下降； 脉冲电流充电， 端电压急速上升。 某温度下 从 到 的过程中 ， 循环的电池组端电压的变化曲线如图 所示。广广广广图 试验电池组端电压变化曲线2 0 1 3 年第 卷 第期电池的开路电压 和电池所处的荷电状态 之间， 具有一定的关系， 通常将这种关
11、系成为电池的 曲线。 这种关系对于了解电池的性能， 以及对电池的状态估计，电池管理系统的设计具有一定的指导意义。 表 是不同温度下， 各 值时的电池组的开路电压值 。表 不同 的开路电压 图 是 随温度及 值变化的曲线及 图 。 从图中可以看出 ， 随着电池电量的降低 ， 电池组开路电压逐渐降低； 在 较高时， 各温度下的电池组开路电压基本相同 ，在 较小时， 开路电压开始随温度变化呈现分叉现象， 温度越低， 开路电压值越小。邮： ： ： ： 图 电池组 曲线及 图结论通过对电池进行不同温度、 不同电流倍率的 实验， 得到了电池在脉冲充放电时的特性， 包括电池直流内阻与 的变化曲线、 电池 随 的变化曲线。 实验还表明，电池的直流内阻随温度的提高而降低， 而开路电压随温度的提高变化不大。 试验分析结果可以用于电池建模和电池管理系统的算法设计。参考文献丨：，邹勇， 吴湛击 王文博 系统中高阶调制软解调算法研宄 新型工业化， ：
