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环境温度对NCM动力电池系统充放电性能的实验研究
2020-12-23 23:29:41· 来源：1.江西江铃集团新能源汽车有限公司，江西省新能源汽车动力总成
引言从图2 2019年上半年的新能源乘用车销量可以看出，新能源汽车的主要应用区域位于长城以南，广东省以北（含广东省）。这些地区的全年温度大多较为适宜，环境温
引言
从图2 2019年上半年的新能源乘用车销量可以看出，新能源汽车的主要应用区域位于长城以南，广东省以北（含广东省）。这些地区的全年温度大多较为适宜，环境温度不会过低，也不会过高；全国的其他区域的城市由于低温或者高温的原因不适宜于新能源汽车的应用。
动力电池系统作为电动汽车的动力源，动力电池系统的充放电性能直接决定电动汽车性能，如续驶里程、安全、经济性、环境适用性和驾驶体验等。因此，探讨环境温度对动力电池系统充放电性能的影响具有重要的意义。
目前有关环境温度对NCM动力电池系统的充放电性能研究仍然较少，主要集中在环境温度对磷酸铁锂电芯的充放电性能的影响，电芯的低温特性的研究。本文以车用锂离子动力电池为研究对象，以3P81S动力电池系统为具体的试验对象，从总电压、温升、温差、容量能量等方向研究环境温度对电池系统充放电性能的影响。
1 实验条件及方案
1.1 实验对象
本文的实验对象为3并81串动力电池系统，如图3所示；由273个36Ah镍钴锰(LiNiMnCo02)三元电芯组成，动力电池系统的部分参数和电芯规格参数见表1。
图4为动力电池系统内部，其中1号模组是将25串电芯叠在一起竖立放置；2号模组和5号模组为3串累叠电芯组，4个累叠的3串电芯串联并排放置构成3P12S,即该类模组中有8个电芯的最大表面未与电芯的表面叠靠；相较3P12S模组，3号模组和4号模组多了一组4串累叠的电芯组。该动力电池系统共16个温度传感器，其中1号模组(3P25S)有4个传感器；其余4个模组，每个模组3个温度传感器。
1.2 实验设备
动力电池测试系统（图5)能满足新能源汽车动力电池、电机台架测试和模拟电源、充电机，并进行全系列工况的模拟测试。
• 输入规格AC380V(-15%-+15%)50Hz土5Hz
• 最大输出电压500V最大输出电流200A最大输出功率44kW
• 峰值输出电流1.5倍(300A<60s)
• 峰值输出功率1.2倍(52.SkW)30min
• 电流检测分辨率20mA
• 电压检测分辨率20mV
• 通信方式1路以太网、2路CAN、2路RS485
• 环境仓适用范围：温度(-20-60°C)；湿度(30%-95%RH)。
1.3 实验方案
标准充电：0.SC(54A)充电至最高单体电压4.15V转恒压充电（最高单体电压维持4.15V电流降低）。
标准充电：lC(108A)放电至最低单体电压3.0V。
测试l
放电测试：室温下标准放电，环境适应后，进行标准充电，环境适应后，标准放电，测试工步见表2。
测试2
充电测试：室温下标准放电，环境适应后，进行标准充电，环境适应，标准放电，测试工步见表3。
测试3
l)能量效率测试：由室温下标准充电，25°C环境适应后，标准放电，25°C环境适应后，进行标准充电，25°C环境适应，标准放电。心室温下标准充电，40°C环境适应后，标准放电，40°C环境适应后，进行标准充电，40°C环境适应，标准放电。＠室温下标准充电，0°C环境适应后，标准放电，0°C环境适应后，进行标准充电，0°C环境适应，标准放电。
2)放电内阻测试：电池的能量表征了电池在放电过程中的所能放出的电量，目前用得最多的容量能量计算表达式为：
式中，V为动力电池系统端电压(V);I为动力电池系统充放电电流(A);C为动力电池系统充放电容量(A·h);E为动力电池系统充放电能量(kW•h);t为充放电时间(h)。
2 测试结果与分析
2.1 环境温度对放电性能的影响
2.1.1 放电容量能量
在相同充电条件下，随环境温度的下降，动力电池系统放电能量与放电容量不断降低（图6)。这主要是由于充放电的截止电压是固定的，而温度会影响电池的充放电电压。放电时，温度越低，相同放电电流，放电电压越小，达到放电截止电压的时间更短，电池放出来的容量更少；同时由于放电电压低，故放出来的电量更少。
在同一环境温度下，放电倍率越高，放电容量越小；在相同倍率下，温度约高，放电容量越大，如图7所示。
图7表征了－20°C、-lOt、0°C三个环境温度下不同串号电芯的放电能量，环境温度越低，电芯的放电能量差异越大；在－20°C、-lOt、0°C三个环境温度下，放电能力最小的电芯集中于1号和25号电芯，且1号电芯和25号电芯的放电能量基本一致，而2号～24号电芯的放电能量基本一致。在不同温度下，其余模组的电芯放电电量较低的点均在固定串号。－20°C、-lOt、0°C个串号电芯放电能量的大小具有一定的规律性。
图8所示为动力电池系统内部，单电芯放电能量对比图，可以看出处于中间的电芯放电能量较其他电芯放电能量要高。中间处电芯双面都与电芯表面接触，散热不及时，电阻相对较小，电压高；放电时间和电流相等，电压越大，放电能量越大。电芯最大表面有一侧与电芯接触，另一侧与模组固定支架接触，热量损失更快，电芯内部温度降速更快，内阻更大，放电能量更低。1号模组的端面与金属端板接触，金属端板的吸热较模组支架吸热快，导致1号模组端面电芯的放电能量较2~5号模组的表面电芯更小（图9)。
2.1.2 放电温度变化
在－20°C环境下，放电产生的温度分布如图10所示，极端温度发生于1号模组(3P25S)，且最低温度位于1号模组的两侧；最高温度位于1号模组的中部。
如图11所示，在相同放电倍率、相同的放电截至条件下，随放电初始温度（环境温度）的升高，动力电池系统放电温升和温差不断降低，且放电的温升与温差基本同步。
如图12所示相同温度下，放电倍率越大，温升和温差也越大。
如图13所示，在3P25S模组上，l、4号位置的温度明显低于2、3号位置的温度；且其余模组上温差明显小于3P25S模组。
如图14所示，温度越低，放电产生的温度变化越剧烈，随着动力电池系统内部温度升高，温度变化率也逐渐下降。
2.1.3 放电电压变化
如图15所示，随环境温度（初始温度）增加电池动态总电压变大，且在低温环境下，。在不同环境温度（初始温度）下动态总电压差距更为明显，环境温度（初始温度）在25°C以上，放电的动态总电压基本一致；环境温度（初始温度）在25°C以下，随环境温度（初始温度）放电的动态总电压下降迅速。
如图16所示，对内阻测试分析，电池系统内部温度越低，内阻越大，放电时的动态总电压越小。
如图17所示，在不同温度下，动力电池系统内部不同串号的电芯放电末端电压呈现一定的规律性，1号和25号电芯的放电末端电压最小，2~24号电芯放电末端电压大小基本相同；随着环境温度升高，放电末端电压的这种规律性逐渐消失，在环境温度40°C下放电，电芯的放电末端电压已经不会出现类似的规律。
2.2 环境温度对充电性能的影响
2.2.1 充电容量
由图18可知，在不同倍率下，随环境温度（初始温度）升高，动力电池系统的充电能量和可充容量逐渐升高；且在10~25°C环境下，温度对动力电池系统充电充电容量的影响较小。
2.2.2 充电温度
从图19所示的测试数据中可以分析得到，随环境温度升高，动力电池系统充电温升和温差在降低；且随着倍率增大，其对温升和温差的影响越大。
2.2.3 充电电压
由图20 a－c随温度降低，随着温度降低，动力电池系统总电压升高，特别在充电起始阶段，由动力电池内部温度与环境温度一致，动力电池系统总电压受环境温度的变化最为明显。随着充电的进行，系统内部温度升高，动力电池系统总电压的差距越来越小。随充放电倍率的增加，动力电池系统的整体偏离程度也不一样，充电倍率越大，动力电池系统总电压差异性越大。这种偏离程度体现在充满电所需要消耗的能量上，越高的环境温度，充满电所需要的能量越大。
3 能量效率测试
将电池在放电时放出的能鼠（即电池输出能量）与电池在充电时消耗的能量（即充放电设备输出能量）之比定义能量效率。反应了在一个充放电循环中动力电池系统自身损耗的能量多少，故经常用于测试电池在一个完整循环中的能量效率，其数值也可作为电池的一个性能指标。
本次测试是分别在0°C、25°C、40°C静置后进行0.5C恒流充电至最高单体电压4.15V,转恒压充电至充电电流变为O.lC;O°C、25°C、40°C下静置至动力电池系统温度与环境温度一致，然后在对应环境温度下进行lC恒流放电，测试结果见表3。随初始温度（环境温度）升高，动力电池系统能量效率增大。
相同的充电条件(25°C环境温度下，0.5C恒流充电至最高单体电压4.15V,转桓压充电至充电电流变为0.lC),不同环境温度(-20-40°C)下，进行lC放电。相对25°C能量效率可以等同于放电效率的特性，随着环境温度升高，放电效率提高（图21)。
4 结论
本文对镍钴锰三元梩离子动力电池系统进行不同环境温度下的充放电实验，并对分析研究环境温度对镍钴锰三元梩离子动力电池系统充放电性能的影响。
1) 环境温度越低，相同倍率下电池系统释放放电容量能量越低，温升温差也随之升高；在低温情况下，随着放电内阻降低，放电电压呈现先升后降；不同倍率下，相同的环境温度，倍率越大，温升、温差也越大。
2) 电芯的放电容量、电池系统内部温升均会受到电芯与空气接触面积影响，在0°C环境情况下，与空气接触面积越大，电芯放电容量能量越小；电芯温升也越小。
3) 环境温度越低，相同倍率下电池系统充电容量能量越高，温升温差也随之升高；不同倍率下，相同的环境温度，倍率越大，温升、温差也越大。随初始温度（环境温度）升高，动力电池系统能量效率增大。
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