动力型磷酸铁锂电池的温度特性_李哲

第47卷第18期 2011年9月

机 械 工 程 学 报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vol.47 No.18 Sep. 2011

DOI：10.3901/JME.2011.18.115

动力型磷酸铁锂电池的温度特性

李 哲 韩雪冰 卢兰光 欧阳明高

(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 北京 100084)

摘要：动力型磷酸铁锂电池的特性与环境温度紧密相关。电池的容量特性、内阻数值和荷电状态—开路电压曲线是反映电池基本性能的重要特性指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数。主要进行不同环境温度下电池的以上各性能试验，研究在不同的环境温度下电池的容量、内阻和开路电压的变化规律。动力型磷酸铁锂电池的容量在低温下迅速降低，在高温下迅速上升，高温下的容量变化速度小于低温；随温度上升，充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降，温度不同时电池的欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率，低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率；同时，低温下的荷电状态—开路电压曲线低于高温下的曲线，但总体上，曲线受温度的影响并不显著。 关键词：磷酸铁锂电池 温度 容量 内阻 开路电压 中图分类号：U464

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Temperature Characteristics of Power LiFePO4 Batteries

LI Zhe HAN Xuebing LU Languang OUYANG Minggao

(State Key Laboratory of Automotive Energy and Safety, Tsinghua University, Beijing 100084)

Abstract：The characteristics of power LiFePO4 batteries are closely connected to ambient temperature. The capacity characteristic, resistance and state of charge-open circuit voltage (SOC-OCV) curve are important parameters to represent the performance of power batteries and to determine battery management system (BMS) design. The experiments in different ambient temperatures are carried out and the laws between temperature and capacity, resistance and OCV are studied. The capacity drops sharply under low temperature, and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up. Ohmic and polarization resistances during charge and discharge process decrease when the temperature rises, and the change rate of ohmic resistance is higher than the polarization resistance, moreover, the change of ohmic resistance under low temperature is more significant than under high temperature. With the decrease of temperature, the SOC-OCV curve moves down, but generally, the curve is affected only slightly by the change of temperature.

Key words：Power LiFePO4 battery Ambient temperature Capacity Resistance Open circuit voltage(OCV)

0 前言

电池所处的温度受到许多因素的影响，如环境温度、电池本身的热力学参数以及电池组的装配和热管理方法等[1-5]。同时，电池的容量特性、内阻数值和开路电压曲线是反映电池基本性能的重要指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数：电池容量大小的变化规律[6]影响电池的寿命管理和荷电状态估算。电池内阻的数值影响动力电池的功率特* 台达电力电子科教发展计划重点资助项目(20093000329)。20100901收到初稿，20110320收到修改稿

性，如式(1)、(2)所示，同时也影响电池热管理系统对电池产热量的分析，如式(3)所示。

动力电池最大电流与功率分别为

Imax=

U Umin

(1) Rt

Pmax=UminImax (2)

式中，Imax为电池的最大放电电流，U为电池的开路电压，Umin为电池的放电截止电压，Rt为电池在放电过程中的总内阻，Pmax为电池的最大放电功率。

电池的产热情况与电流和电池内阻有关，如式(3)所示

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Qg=I2Rt (3)

式中，Qg为电池的产热率，I为流经电池的电流，

Rt为电池的总内阻。

而电池的开路电压(Open circuit voltage，OCV)曲线可以用于电池荷电状态(State of charge，SOC)的校准，图1是某磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线，可以利用这一曲线用OCV的数值对SOC进行校 正，该校正对提高电池SOC估算的准确性有着重要意义。因此，了解以上三个电池特性在不同环境温度下的改变规律，可以更好地了解电池性能、设计管理系统[8-9]。

[7]

图2 LiFePO4锂离子电池容量随环境温度的变化

可知，低温下，电池容量衰减得极快，而在常温左右，容量随着温度升高而增长，其速率相对低温下较慢。-40 ℃时，电池的容量仅为标称值的1/3，而在0 ℃到60 ℃，电池的容量从标称容量的80%升至110%。

将电池的容量变化与温度进行拟合，得到 C= 5.06974×exp( θ/55.90333)+14.03729 2 R=0.99784式中，C是电池容量，θ是温度，R2是该拟合的相关系数。

图1 某磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线

3 环境温度对电池内阻的影响

测量电池内阻采用混合脉冲功率特性阶跃 法[10]，试验步骤如下。

(1) 将电池放电至空。

(2) 静置1 h，测量开路电压OCV，记录数据

1 试验对象

以3.2 V/11 A·h磷酸铁锂动力电池单体 (OCV 数据供步骤(4)中使用，下同)。 (天津产)为试验对象，采用DIGATRON 牌EVT500-500-80 kw-IGBT电池试验台(德国产)和某国产高低温试验箱，分别进行了不同环境温度下电

(3) 用1/3 C(即3.67 A)充电电流为电池充电，调整SOC值至0.025，在这个过程中，记录电池充电前10 s中的电池电压变化，通过这些电压值和式

池容量、电池充放电内阻和电池开路电压曲线的 (4)～(7)，计算得到电池在SOC值为0状态下的充测试。 电内阻，包括欧姆内阻和总内阻的数值。

2 环境温度对电池容量的影响

将充满电的电池分别置于不同的环境温度中放电，讨论放出的容量与环境温度的关系。充电方法为，将电池以1/3 C恒流充电至电压到达3.65 V，改为恒压充电直至电流下降到1 A，停止充电。放电方法为，在环境温度中静置1 h，再以1/3 C恒流放电直到电压下降到2 V为止，计算放出的容量。

将同一型号的6块磷酸铁锂电池分别置于 -40 ℃、 20 ℃、0 ℃、30 ℃、50 ℃、60 ℃下进行放电过程，电池放出的容量如图2所示。

(4) 用1/3 C(即3.67 A)充电电流将电池充电，调整SOC值分别至0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0附近，重复第(2)、(3)步骤，即得到不同SOC情况下电池的充电内阻和开路电压OCV。另外，在SOC较大时，尤其是在 10 ℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，此时需要将电池的充电电流降至1/5 C，以保证能够充入电量并保护电池安全。

(5) 完成充电电阻测量后，用1/3 C(即3.67 A)电流放电，分别调整电池的SOC值至0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.075、0.05、0.025、0，同(2)、(3)步骤中方法，即得到不同SOC情况下，

2011年9月 李 哲等：动力型磷酸铁锂电池的温度特性

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电池的放电内阻和开路电压OCV。另外，在SOC较小时，尤其是在10 ℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，需要将电池的放电电流降至1/5 C，以保证必需的放电持续时间和电池 …… 此处隐藏：8367字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……