動(dòng)力電池作為電傳動(dòng)車(chē)輛主要能源之一，可作為發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助能源，在車(chē)輛需要輸出大功率時(shí)，與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)車(chē)輛，同時(shí)也可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛。因此，動(dòng)力電池的性能將直接影響電傳動(dòng)車(chē)輛的性能。國(guó)家科技部公布的《電動(dòng)汽車(chē)科技發(fā)展“十二五”專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃》指出在“十二五”期間，國(guó)家科技計(jì)劃將加大力度持續(xù)支持電動(dòng)汽車(chē)科技創(chuàng)新。2015年中國(guó)電動(dòng)汽車(chē)保有量計(jì)劃達(dá)到100萬(wàn)，動(dòng)力電池也將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。鋰離子電池具有功率高、能量密度大、壽命長(zhǎng)、自放電率低和貯藏時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，目前正逐步取代其他電池成為主要的動(dòng)力電池[1-2]。電傳動(dòng)車(chē)輛對(duì)體積和動(dòng)力都有較高要求，因此要求動(dòng)力電池不僅具有較高的能量密度，還需具有大功率充放電的能力[3]，而高功率鋰離子電池能夠同時(shí)滿足這兩方面要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高功率型鋰離子電池進(jìn)行了深入研究，參考文獻(xiàn)[4]研制了一款功率密度為2 000 WKg-1的高功率鋰離子電池，并成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)。為了進(jìn)一步研究功率型電池的充放電性能，同時(shí)也為電池選型和電池建模提供依據(jù)，本文對(duì)某35 Ah功率型電池的充放電性能進(jìn)行研究。

1 測(cè)試平臺(tái)
    測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中HT-V5C200D200-4是廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司針對(duì)電池單體測(cè)試開(kāi)發(fā)的電池充放電設(shè)備；溫箱的作用是提供測(cè)試所需的環(huán)境溫度，在測(cè)試過(guò)程，被測(cè)電池放置在溫箱中，溫度測(cè)量模塊用于測(cè)量充放電過(guò)程中電池表面和極耳的溫度變化，溫度測(cè)量模塊有16個(gè)通道，采用PT100溫度傳感器。溫度傳感器輸出的電壓信號(hào)經(jīng)NI采集系統(tǒng)傳送至上位機(jī)，安裝在上位機(jī)的Labview軟件將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體的溫度值并進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)保存和顯示。

2 放電特性
    為研究溫度對(duì)電池放電性能的影響，將電池放置在不同環(huán)境溫度下，以相同的倍率進(jìn)行恒流放電。電池首先以1/3C倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，充滿后靜置2 h，然后靜置在溫箱中5 h，靜置結(jié)束后以某一倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V。在-40 ℃～+25 ℃范圍內(nèi)，分別以10 A、35 A、70 A、140 A恒流進(jìn)行放電，放電曲線如圖2～圖5所示。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
    （1）在同一放電倍率下，電池的放電電壓隨溫度下降而降低。以10 A恒流放電為例，-40 ℃與+20 ℃相比，電池放電電壓平均下降1 V，為標(biāo)稱(chēng)電壓的27%。
    （2）低溫大電流放電時(shí)，放電曲線呈非線性狀態(tài)，出現(xiàn)明顯的波谷波峰形狀，放電電壓波動(dòng)大。以70 A恒流放電為例，在20 ℃和0 ℃放電時(shí)，放電曲線比較正常，沒(méi)有出現(xiàn)波谷波峰。當(dāng)環(huán)境溫度降為-20 ℃時(shí)，放電曲線出現(xiàn)明顯的波谷波峰形狀，電池兩端的電壓從4.15 V降至3.07 V。隨后，電壓開(kāi)始升高，最高達(dá)到3.35 V，然后開(kāi)始下降。電池在低溫下進(jìn)行大電流放電時(shí)，由于電池溫度低，電池的活性物質(zhì)無(wú)法充分利用，電極極化嚴(yán)重，電池內(nèi)阻大，因此放電初期電池的放電電壓快速下降。隨著放電的進(jìn)行，由于電池內(nèi)阻較大，在電池內(nèi)部產(chǎn)生大量熱量，使電池溫度快速上升，從而使電池的活性物質(zhì)部分得到激活，因此電池的放電電壓開(kāi)始上升。隨著電池溫度的上升，電池的內(nèi)阻開(kāi)始下降，產(chǎn)生的熱量也隨之下降。由于環(huán)境溫度保持在-20 ℃不變，因此電池的溫度開(kāi)始下降，活性物質(zhì)利用率降低，進(jìn)而導(dǎo)致電池的放電電壓下降。   
3 充電特性
    為研究溫度對(duì)電池充電性能的影響。通過(guò)將電池放置在不同的環(huán)境溫度下，以相同的倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電。電池首先以1/3C倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V，放電結(jié)束后靜置2 h，然后將電池靜置在溫箱中5 h，靜置結(jié)束后以某一倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，10 A充電的截止電流為1 A，35 A、70 A電的截止電流為3 A。圖6、圖7、圖8分別給出了10 A、35 A和70 A恒流-恒壓充電曲線。

    從不同溫度的充電曲線可以看出，與低溫電池放電特性相比，電池的充電性能衰減更為明顯。參考文獻(xiàn)[5-7]也有相同結(jié)論：在0 ℃以下，電池已無(wú)法進(jìn)行正常充電，在低溫下，電池充電呈現(xiàn)以下兩個(gè)特性：
    （1）在充電電流相同的情況下，隨著溫度降低，恒流充電階段，充電電壓不斷提高，尤其是進(jìn)行大電流充電時(shí)。在0 ℃以下，已完全沒(méi)有恒流充電過(guò)程，充電電流加載瞬間，電池端電壓迅速升高到截止電壓4.2 V，直接進(jìn)入恒壓充電階段。
    （2）隨著溫度降低，恒流充電時(shí)間和充入容量快速減少，恒壓充電時(shí)間和充入容量增加，總充電容量增加，充入相同容量所用時(shí)間增加。
4 電池溫度特性
4.1 恒流放電溫度特性
    對(duì)電池單體在自然散熱條件下充放電工作時(shí)的生熱特性進(jìn)行研究，為后續(xù)建立電池生熱模型提供數(shù)據(jù)支持。電池單體被懸掛于無(wú)強(qiáng)制散熱的空間中，處于自然散熱條件，電池充放電過(guò)程，采用16通道的溫度傳感器進(jìn)行電池溫度的測(cè)量
    分別對(duì)電池進(jìn)行0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率放電。首先，將電池懸至于無(wú)強(qiáng)制散熱的環(huán)境下，溫度為室溫。放電前，按照第2節(jié)中的方法將電池充滿后靜置2 h，然后以某一倍率進(jìn)行恒流放電，截止電壓為3 V。圖9是電池在不同倍率放電過(guò)程中，正、反兩面的平均溫升曲線，為了方便比較研究，在作圖時(shí)都將實(shí)驗(yàn)中電池的起始溫度調(diào)整為20 ℃。

    從圖9中可以看出，隨著電池放電倍率的提高，以2C放電時(shí)，電池正極耳的溫度從20 ℃上升到29.6 ℃，上升了48%；以4C放電時(shí)，電池正極耳的溫度從20 ℃上升到36.96 ℃，上升了84.8%；因此，在高溫環(huán)境下，電池進(jìn)行大倍率放電時(shí)，必須采取相應(yīng)的散熱措施，否則電池將因過(guò)熱而導(dǎo)致性能衰退、壽命下降，甚至導(dǎo)致熱失控的危險(xiǎn)狀態(tài)。
4.2 電池充電生熱特性
    與放電溫升實(shí)驗(yàn)相同，將電池懸至于無(wú)強(qiáng)制散熱的環(huán)境下，按照第3節(jié)中的方法將電池放電后靜置2 h，然后分別以0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率進(jìn)行恒流-恒壓充電，截止電流為3 A。圖10給出了不同倍率充電過(guò)程中，電池單體表面的平均溫升曲線。從圖中可以看出，正、反面溫度幾乎相等，在恒流充電過(guò)程中，電池正、負(fù)的溫度快速上升，在恒壓充電階段，電池極耳的溫度開(kāi)始下降，這主要是恒壓充電階段，充電電流不斷下降，使得電池生熱率減少。因此，在電池充電過(guò)程，恒流充電過(guò)程是電池內(nèi)部熱量積聚的重要階段。

    常溫下，功率型鋰離子電池的充放電內(nèi)阻低，大電流放電的穩(wěn)定性好，放電效率高，具有良好的大倍率充電特性，能夠滿足電傳動(dòng)車(chē)輛的行駛需求。低溫下，電池
的充放電內(nèi)阻升高，相同放電倍率下，電池的放電電壓和放電容量顯著下降。與放電相比，電池充電性能衰減更為明顯，電池恒流充電電壓顯著升高，充入容量顯著下降。因此在實(shí)際使用中，必須有加熱系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行加熱，以提高電池的低溫性能。與其他電池相比，功率型鋰離子電池充放電溫升較小，但是大電流充放電時(shí)，電池溫度仍有較大提升，相同倍率下，電池充電過(guò)程的溫升比放電時(shí)的溫升高，因此，大電流充放電時(shí)，應(yīng)對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行散熱，避免電池內(nèi)部溫度累積對(duì)電池造成損害。
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