梁倫　楊年炯　吳秋滿　王云婷　常清泉　梁興華

摘??? 要：為了滿足全國電動方程式賽車（FSEC）對電池的性能要求，模擬比賽時對耐久性能、彎道性能和加速性能的工況要求，對NCM三元鋰離子電池在不同的充放電工況下的特性進行研究與評價.對比該電池在不同倍率下的放電特性，以及不同倍率放電時內阻的變化情況.結果表明：FSEC方程式賽車采用NCM三元鋰離子電池，充電時內阻小溫升可控，但在彎道性能和加速性能工況下放電時，必須要做好散熱設計才能滿足比賽的要求.

關鍵詞：FSEC賽車;NCM鋰離子電池;充放電特性;溫度變化;內阻

中圖分類號：TM912;U469.696??????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.003

0??? 引言

電動汽車代表了新一代環(huán)境協(xié)調友好型交通工具的發(fā)展方向[1]，車用動力電池對21世紀的能源結構產生重大和深遠的影響.目前純電動汽車、混合動力汽車、插電式混合動力汽車和燃料電池汽車已經成為國內汽車行業(yè)未來幾十年內的發(fā)展方向， 鋰離子動力電池作為電動汽車的關鍵零部件， 對電動汽車實際運行狀態(tài)有著非常大的影響[2].由于能源、環(huán)境危機的日益加劇以及電子信息行業(yè)的高速發(fā)展，鋰離子電池受到前所未有的關注[3].新能源汽車作為中國汽車未來發(fā)展的方向已經毋庸置疑.在政府高額補貼的催化下， 新能源汽車的發(fā)展已經從不溫不火到突飛猛進， 其中尤為關鍵的是純電動車作為新能源汽車發(fā)展的中長期戰(zhàn)略得以完全確立[4].中國大學生電動方程式汽車大賽（FSEC）是中國汽車工程學會主辦，中國宋慶齡基金會全程唯一公益支持，由高等院校汽車工程或汽車相關專業(yè)在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽.

不同于純電動乘用車，FSEC賽車按F1方程式賽事的要求來制造，對動力電池的動力性提出苛刻的要求.因而采用不同工況研究動力電池的充放電行為、倍率特性和溫度狀況，對FSEC電動賽車的設計、加工制造有重要意義.本文模擬賽車的部分實際工況，對鋰離子電池進行充放電行為，以及大電流放電時的溫度狀況進行研究，探索FSEC賽車工況對鋰離子動力電池溫升狀態(tài)和電化學行為的影響.

1??? 實驗設備與方法

本次實驗所用的設備是天博電子信息科技有限公司的電池單體充放電測試系統(tǒng)，型號為CBTS-100A-05V-8CH（圖1）.該設備有一個溫度讀取器，兩個溫度采集傳感器.研究對象為桑頓新能源科技有限公司NCM材料的鋰離子動力電池，型號為SEPNi8688190P-15Ah，標稱容量為15 Ah.模擬FSEC賽車充電和放電工況對電池的充放電溫升、內阻狀態(tài)與電化學行為進行研究.

1.1?? 充電工況

電池作為電動車汽車的主要儲能部件，其使用特性受到諸多因素影響[5].對所研究的三元鋰離子電池均采用1 C倍率的充電，充電工況（三段式）包括：恒流充電、恒壓充電、階段充電等[6]，測試條件為室溫環(huán)境下.根據賽車電池組的充電機功率，以及賽事的現場條件及要求，充電工況設置為：以15 A的電流對電池恒流充電，充電至電池電壓為4.18 V;然后對電池恒壓限流充電，充電至電流小于0.6 A停止，擱置時間為1 200 s.在電腦上設定采集的數據為0.1 s采集一個數據，10 s采集一個數據.具體充電工況如表1所示.

1.2?? 放電工況

為了滿足方程式電動賽車的比賽加速性能要求，研究其在比賽過程中大倍率電流下的放電性能、溫升情況.根據比賽時的不同階段，用倍率值來模擬耐久性能、彎道性能、加速性能等狀態(tài)時，電池的放電工況和溫升狀態(tài).因此，測試的放電工況為：3 C（耐久性能）、3.5 C（彎道性能）、4 C（加速性能）倍率放電（表2），即36 A、52.5 A、60 A的電流放電.對電池恒流放電，直到電池電壓小于3.2 V，放電過程結束.由于模擬電池箱體中電池的狀態(tài)，本次實驗沒有對電池進行外部的降溫，在高電流的放電條件下放電，電池內部很容易發(fā)熱，導致溫度升高，所以在電池的正負極上連接溫度傳感器，實時觀測電池在不同倍率放電過程中溫升情況.并且在電池的放電流程中加入溫度限制報警，因為本次實驗測試儀的溫度保護上限是50 ℃，超過這個值會損害機器，甚至是電池.本次實驗根據充放電測試儀的放電溫度標準、電池的標準，將溫度限定為50 ℃，當電池的極耳溫度達到50 ℃儀器自動停止放電.

2??? 結果與分析

2.1?? 充電特性

圖2為NCM三元電池以表1充電工況充電后的充電曲線，采用相同的A/B兩電池充電以便考察數據的一致性.由圖可見，整個充放電過程，曲線可以分為3個階段：第一個階段為恒流充電，充電倍率1 C，電流15 A，可見初始階段電壓快速直線上升，然后進入3.46 V平臺后緩慢上升，表明電池在外部電場的作用下鋰離子克服歐姆內阻遷移至負極，由于歐姆電阻大致恒定且較小，宏觀表現出電壓直線上升;第二階段仍為恒流充電，電流15 A，可見這個階段電壓以較快速度上升，但上升速率低于第一階段，電壓升至4.18 V后進入第三階段，表明這個階段電池內部鋰離子克服極化內阻遷移至負極，由于極化內阻隨充電時電化學反應而變化，宏觀表現出電壓曲線上升;第三階段為恒壓限流充電，充電電壓恒定4.2 V，當充電電流達到0.6 A時，充電結束，因此電壓為4.2 V直線，這個階段以小電流恒壓充電，目的是防止電池過充，從而損傷電池.從獲得的充電曲線表明，A/B兩個電池的充電曲線的弧度都大體一致，兩個電池的充電曲線差異很小，整個充電過程5 500 s，符合賽事的現場條件及要求.

2.2??? 不同放電倍率的特性

圖3中，放電過程中大致可以分為二個階段：電池在放電的初期，U-C（電壓-容量）曲線的斜率較大，放電倍率越大，下降越快;隨著放電時間的增加，U-C曲線的斜率逐漸趨于水平.

圖3中，電池A、電池B為不同倍率下的相同材料的兩個電池.因為本實驗設置了一個溫度限制，放電過程中達到50 ℃時，放電過程即刻停止，避免出現損壞電池的情況和保護實驗設備.圖中可以看出，? 3 C倍率（耐久性能）放電時，電池溫升不超過50 ℃，可以足容量放電，表明電池在耐久性能比賽時，不散熱即可完成比賽要求;3.5 C倍率（彎道性能）放電時，電池放電至容量9 Ah（電壓3.4 V）時，電池溫升超過50 ℃達到電池溫控上限，表明電池在彎道性能比賽時，必須有較好的散熱才能完成比賽要求;4 C倍率（加速性能）放電時，電池放電至容量5 Ah（電壓3.5 V）時，電池溫升超過50 ℃達到電池溫控上限，表明電池在加速性能比賽時，必須有較好的散熱才能完成比賽要求;因此，采用NCM三元電池組裝成為高壓電池組時，必須設計好散熱通道和裝置，才能滿足比賽要求.

2.3?? 內阻分析

在電化學行為上，電池的內阻分為兩部分：歐姆內阻和極化內阻.歐姆內阻對于具體某個電池來說，是個相對固定值，其值為正極、負極、隔膜、連接片等內阻之和，而極化內阻與正負極材料、電解液的濃度、電池電化學反應、環(huán)境溫度等有關[7].目前，國內外對電池內阻的分析一般僅限于內阻的測試和辨識方法[8]以及在不同狀態(tài)下的電池內阻特性研究[9].

圖4（a）為電池1 C充電時，內阻的變化情況;圖4（b）—圖4（d）為電池3 C/3.5 C/4 C放電時的內阻變化情況.由圖4（a）可看出，充電初始階段（小于1 700 s時），電池內阻約為0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范圍內波動，表明電池在剛開始充電時，歐姆內阻起主要作用，即0.01 mΩ的內阻為正極、負極、隔膜、連接片等內阻之和;當充電時間大于1 700 s后，內阻逐步上升，充電3 200 s以后內阻達到0.2 mΩ的峰值，表明充電1 700～3 200 s階段，極化內阻起主要作用，在這個階段正極材料內的鋰離子在外部電場的作用下克服化學鍵能脫嵌并遷移、嵌入負極，同時儲存電量，因而內阻不斷增加，極化現象加劇.由圖??? 4（b）—圖4（d）可看出，電池在放電初始階段，電池的內阻逐步下降，表明電池初始放電時極化內阻起主要作用，在這個階段負極材料內的鋰離子在電池內部電場的作用下克服化學鍵能脫嵌并遷移、嵌回正極，同時放出電量，因而內阻不斷降低，極化現象減弱.不同放電倍率下，極化降低速率不同，由圖4（b）—? 圖4（d）可看出，極化內阻起主要作用的階段，3 C倍率為1 150 s，3.5 C倍率為650 s，4 C倍率為200 s，表明放電倍率越大，極化降低速率越快.

3??? 結論

本文采用電池單體充放電測試系統(tǒng)對NCM三元鋰離子電池進行充放電特性研究，研究了不同放電倍率下電池的溫度變化，和充放電過程中的內阻的變化情況.結果表明：

1）1 C倍率充時，電池A電壓從3.2 V升至4.2 V，電池充電容量14.2 Ah.而電池B充電容量14.1 Ah.

2）3 C倍率（耐久性能）放電時，電池溫升不超過50 ℃，可以足容量放電;3.5 C倍率（彎道性能）放電時，電池放電至容量9 Ah（電壓3.4 V）時，電池溫升超過50 ℃達到電池溫控上限;4 C倍率（加速性能）放電時，電池放電至容量5 Ah（電壓3.5 V）時，電池溫升超過50 ℃達到電池溫控上限;因此，采用NCM三元電池組裝成為高壓電池組時，必須設計好散熱通道和裝置，才能滿足比賽要求.

3）充電初始階段（小于1 700 s時），電池內阻約為0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范圍內波動，歐姆內阻起主要作用;當充電時間大于1 700 s后，極化內阻起主要作用;電池在放電初始階段，極化內阻起主要作用，后期主要是歐姆內阻起主要作用;放電倍率約大，極化降低速率越快.

參考文獻

[1]???? 鐘筱良. 新能源電動汽車動力電池概述[J]. 現代零部件， 2013（5）：30-32.

[2]???? 仇明.關于鋰離子動力電池充放電特性和測試的分析[J].中國戰(zhàn)略新興產業(yè)，2017（36）：128-129.

[3]???? 梁興華，史琳，劉于斯，等.高電位LiNi0.5Mn1.5O4正極材料的性能研究[J].廣西科技大學學報，2014，25（1）：37-39，49.

[4]???? 吳海平，沈育，李超杰.純電動車在出租車行業(yè)推廣的充換電策略分析[J].電動自行車，2018（10）：44-46.

[5]???? 王震坡，孫逢春.鋰離子動力電池特性研究[J].北京理工大學學報，2004，24（12）：1053-1057.

[6]???? 張彥會，李鑫，左紅明.磷酸鐵鋰電池滯回特性的修正算法研究[J].廣西科技大學學報，2018，29（1）：31-36.

[7]???? 胡建軍，稅江，國琛，等.混合動力電動汽車MH/Ni電池放電性能實驗分析[J].重慶大學學報（自然科學版），2007，30（10）：1-6.

[8]???? 郭宏榆，姜久春，王吉松，等.功率型鋰離子動力電池的內阻特性[J].北京交通大學學報（自然科學版），2011，35（5）：119-123.

[9]???? 粟智，翁之望.交流阻抗法測定鋰離子電池正極材料的導電率[J].計算機與應用化學，2011，28（5）：623-624.

Study on charge and discharge performances of FSEC

formula racing car battery

LIANG Lun， YANG Nianjiong*， WU Qiuman， WANG Yunting， CHANG Qingquan，

LIANG Xinghua

（College of Automobile and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to meet the performance requirements of the battery for the National Electric Formula Racing （FSEC）， the characteristics of NCM lithium ion batteries under different charging and discharging conditions were studied and evaluated by simulating the working conditions of durability， bending performance and acceleration performance. The discharge characteristics of the battery at different discharge rates and the change of internal resistance at different discharge rates were compared. The results show that using NCM ternary lithium-ion batteries can control the temperature increase of internal resistance when charging， but when the power is discharged under the conditions of bending performance and acceleration performance， the heat dissipation design must be done well to meet the requirements of the race.

Key words： FSEC racing car; NCM lithium-ion battery; charge-discharge characteristics; temperature change; internal resistance