「技术帖」海拔高度对动力电池性能的影响研究

07-09 10:34

摘要：通过搭建动力电池低气压测试平台，研究了不同海拔高度下动力电池的基本特性、充放电性能、热特性和安全性。研究发现在正常使用的海拔高度范围内，动力电池的电性能不受海拔高度的影响，动力电池也不会发生安全问题；但是由于海拔高度的升高，大气压强降低，动力电池的散热性能降低，动力电池在充放电过程中的温升会变大，温度差也变大，不利于动力电池的使用和寿命；动力电池热稳定性随着海拔高度的上升也逐步下降。因此对于在高原环境使用的车辆，应该在热管理和热安全方面做着重的设计和验证，以确保动力电池的安全。

电动汽车作为一种节能环保的交通工具，其能量利用率高，且不排放污染空气的有害气体，成为交通工具的发展方向，引起世界各国政府的高度重视。随着电动汽车的大范围推广应用，电动汽车的应用领域和地域都得到了很大的拓展。我国的国土面积大，地形条件和环境条件复杂，除了中东部沿海城市外，大部分地区存在高温、低温、高海拔等较恶劣的自然条件。这就需要对电动汽车提出更多的要求来满足各种环境条件下的使用。而整个电动汽车系统中最敏感的动力电池就要能够接受各种条件的考验。

随着海拔高度的增加，大气压强逐步下降，同时含氧量逐步下降，大气密度也逐步下降。其中最直接的特征就是大气压强的下降。对于动力电池而言，首先要能够承受内外的压强差的变化[4]。由于动力电池内部与大气几乎不存在物质交换，因此不会受到各种气体含量变化的影响，但是压强的变化可能会造成电池内部结构的变化，对动力电池的充放电特性造成一定的影响。因此研究海拔高度对电动汽车动力电池性能影响对动力电池开发、使用以及测试评价都有着重要的意义。

1、实验

1.1 实验样品

表1为实验所用电池样品的信息。

表1锂离子电池样品信息

1.2 电池充放电测试

1.3 高海拔(低气压)测试

使用ESPEC公司的低气压实验箱进行实验，实验中分别控制箱体的温度和压强，调节箱体的各项参数达到相应的条件，使得样品在该环境下平衡30min后启动相应的测试。

1.4 直流放电内阻测试

按照Freedom CARBattery TestManual For Power-Assist Hybrid Electric Vehicles中的3.3hybridpulsepowercharacterizationtest(HPPC)方法测试电池在不同SOC状态下的直流放电内阻。测试程序为：蓄电池以1C进行恒流充电至电压为3.65V后转为3.65V恒压充电至电流小于1.3A；静置30min；蓄电池以1C进行恒流放电调节SOC；静置2h；依次进行脉冲放电和充电测试。

1.5 热失控测试

图1电池热失控测试流程图

按照图1电池热失控测试流程图进行电池热失控测试。图中：dT/dt为电池温升速率；onset为自产热温升速率限值，设置为0.02℃/min，用于判断自产热是否发生；T为电池表面温度；TF为最高温度，用于判断测试是否结束，设置为350℃。

2 结果与讨论

2.1 电池基本参数与电性能

2.1.1 电池基本参数

选取6只电池样品进行平行实验，3只电池进行低气压环境实验，3只电池作为平行样品参照。实验结果如表2所示。

表2动力电池内阻与海拔高度的关系测试结果

2.1.2 电池电性能

选取同一只电池在低气压箱中进行放电性能测试，图2为电池分别在0、4000和6000m高度条件下进行1C放电的曲线。从图中可以发现，几条曲线几乎重合在一起，表明对于单体电池而言，在6000m海拔高度范围内，电池的常规放电性能基本不受海拔高度的影响。

图2电池在不同海拔高度下1C放电的曲线

2.2 海拔高度对动力电池热特性的影响

2.2.1 单体电池热特性

图3电池在不同海拔高度下2C放电的温升曲线

2.2.2 电池包热特性

由于单体电池的热特性受到海拔高度的影响，因此进一步研究了动力电池系统的热特性与海拔高度的关系。

图4为一款风冷电池系统在不同海拔高度下放电时的温升情况及温度分布情况。从图中看到随着海拔高度的上升，电池的温升略有增加，电池单体间的温度差变大，表明随着海拔高度的上升，电池的温升增大，温度均匀性下降。

图4风冷电池系统不同海拔高度下1C放电时温升及温度分布

图5为一款水冷电池系统3C放电时的温度曲线。从图中可以看到，电池的温度分布均匀且温升几乎一致，表明水冷电池系统在冷却条件不变的情况下，动力电池的热特性不受海拔高度的影响。

图5水冷电池系统不同海拔高度下3C放电时的温升及温度分布

2.3 海拔高度对动力电池热稳定性的影响

由于在高海拔环境下，电池内外存在压差，可能对动力电池安全性造成影响，通过研究动力电池在不同海拔高度下的热稳定性来研究海拔高度对动力电池安全性的影响。

图6单体电池不同海拔高度下热失控温度曲线

图7单体电池不同海拔高度下热失控温度曲线(局部)

3、结论

来源：《电源技术》

作者：刘磊、王芳、任山、何兴、王金伟