梁伦　杨年炯　吴秋满　王云婷　常清泉　梁兴华

摘    要：为了满足全国电动方程式赛车（FSEC）对电池的性能要求，模拟比赛时对耐久性能、弯道性能和加速性能的工况要求，对NCM三元锂离子电池在不同的充放电工况下的特性进行研究与评价.对比该电池在不同倍率下的放电特性，以及不同倍率放电时内阻的变化情况.结果表明：FSEC方程式赛车采用NCM三元锂离子电池，充电时内阻小温升可控，但在弯道性能和加速性能工况下放电时，必须要做好散热设计才能满足比赛的要求.

关键词：FSEC赛车;NCM锂离子电池;充放电特性;温度变化;内阻

中图分类号：TM912;U469.696            DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.003

0    引言

电动汽车代表了新一代环境协调友好型交通工具的发展方向[1]，车用动力电池对21世纪的能源结构产生重大和深远的影响.目前纯电动汽车、混合动力汽车、插电式混合动力汽车和燃料电池汽车已经成为国内汽车行业未来几十年内的发展方向， 锂离子动力电池作为电动汽车的关键零部件， 对电动汽车实际运行状态有着非常大的影响[2].由于能源、环境危机的日益加剧以及电子信息行业的高速发展，锂离子电池受到前所未有的关注[3].新能源汽车作为中国汽车未来发展的方向已经毋庸置疑.在政府高额补贴的催化下， 新能源汽车的发展已经从不温不火到突飞猛进， 其中尤为关键的是纯电动车作为新能源汽车发展的中长期战略得以完全确立[4].中国大学生电动方程式汽车大赛（FSEC）是中国汽车工程学会主办，中国宋庆龄基金会全程唯一公益支持，由高等院校汽车工程或汽车相关专业在校学生组队参加的汽车设计与制造比赛.

不同于纯电动乘用车，FSEC赛车按F1方程式赛事的要求来制造，对动力电池的动力性提出苛刻的要求.因而采用不同工况研究动力电池的充放电行为、倍率特性和温度状况，对FSEC电动赛车的设计、加工制造有重要意义.本文模拟赛车的部分实际工况，对锂离子电池进行充放电行为，以及大电流放电时的温度状况进行研究，探索FSEC赛车工况对锂离子动力电池温升状态和电化学行为的影响.

1    实验设备与方法

本次实验所用的设备是天博电子信息科技有限公司的电池单体充放电测试系统，型号为CBTS-100A-05V-8CH（图1）.该设备有一个温度读取器，两个温度采集传感器.研究对象为桑顿新能源科技有限公司NCM材料的锂离子动力电池，型号为SEPNi8688190P-15Ah，标称容量为15 Ah.模拟FSEC赛车充电和放电工况对电池的充放电温升、内阻状态与电化学行为进行研究.

1.1   充电工况

电池作为电动车汽车的主要储能部件，其使用特性受到诸多因素影响[5].对所研究的三元锂离子电池均采用1 C倍率的充电，充电工况（三段式）包括：恒流充电、恒压充电、阶段充电等[6]，测试条件为室温环境下.根据赛车电池组的充电机功率，以及赛事的现场条件及要求，充电工况设置为：以15 A的电流对电池恒流充电，充电至电池电压为4.18 V;然后对电池恒压限流充电，充电至电流小于0.6 A停止，搁置时间为1 200 s.在电脑上设定采集的数据为0.1 s采集一个数据，10 s采集一个数据.具体充电工况如表1所示.

1.2   放電工况

为了满足方程式电动赛车的比赛加速性能要求，研究其在比赛过程中大倍率电流下的放电性能、温升情况.根据比赛时的不同阶段，用倍率值来模拟耐久性能、弯道性能、加速性能等状态时，电池的放电工况和温升状态.因此，测试的放电工况为：3 C（耐久性能）、3.5 C（弯道性能）、4 C（加速性能）倍率放电（表2），即36 A、52.5 A、60 A的电流放电.对电池恒流放电，直到电池电压小于3.2 V，放电过程结束.由于模拟电池箱体中电池的状态，本次实验没有对电池进行外部的降温，在高电流的放电条件下放电，电池内部很容易发热，导致温度升高，所以在电池的正负极上连接温度传感器，实时观测电池在不同倍率放电过程中温升情况.并且在电池的放电流程中加入温度限制报警，因为本次实验测试仪的温度保护上限是50 ℃，超过这个值会损害机器，甚至是电池.本次实验根据充放电测试仪的放电温度标准、电池的标准，将温度限定为50 ℃，当电池的极耳温度达到50 ℃仪器自动停止放电.

2    结果与分析

2.1   充电特性

图2为NCM三元电池以表1充电工况充电后的充电曲线，采用相同的A/B两电池充电以便考察数据的一致性.由图可见，整个充放电过程，曲线可以分为3个阶段：第一个阶段为恒流充电，充电倍率1 C，电流15 A，可见初始阶段电压快速直线上升，然后进入3.46 V平台后缓慢上升，表明电池在外部电场的作用下锂离子克服欧姆内阻迁移至负极，由于欧姆电阻大致恒定且较小，宏观表现出电压直线上升;第二阶段仍为恒流充电，电流15 A，可见这个阶段电压以较快速度上升，但上升速率低于第一阶段，电压升至4.18 V后进入第三阶段，表明这个阶段电池内部锂离子克服极化内阻迁移至负极，由于极化内阻随充电时电化学反应而变化，宏观表现出电压曲线上升;第三阶段为恒压限流充电，充电电压恒定4.2 V，当充电电流达到0.6 A时，充电结束，因此电压为4.2 V直线，这个阶段以小电流恒压充电，目的是防止电池过充，从而损伤电池.从获得的充电曲线表明，A/B两个电池的充电曲线的弧度都大体一致，两个电池的充电曲线差异很小，整个充电过程5 500 s，符合赛事的现场条件及要求.

2.2    不同放电倍率的特性

图3中，放电过程中大致可以分为二个阶段：电池在放电的初期，U-C（电压-容量）曲线的斜率较大，放电倍率越大，下降越快;随着放电时间的增加，U-C曲线的斜率逐渐趋于水平.

图3中，电池A、电池B为不同倍率下的相同材料的两个电池.因为本实验设置了一个温度限制，放电过程中达到50 ℃时，放电过程即刻停止，避免出现损坏电池的情况和保护实验设备.图中可以看出，  3 C倍率（耐久性能）放电时，电池温升不超过50 ℃，可以足容量放电，表明电池在耐久性能比赛时，不散热即可完成比赛要求;3.5 C倍率（弯道性能）放电时，电池放电至容量9 Ah（电压3.4 V）时，电池温升超过50 ℃达到电池温控上限，表明电池在弯道性能比赛时，必须有较好的散热才能完成比赛要求;4 C倍率（加速性能）放电时，电池放电至容量5 Ah（电压3.5 V）时，电池温升超过50 ℃达到电池温控上限，表明电池在加速性能比赛时，必须有较好的散热才能完成比赛要求;因此，采用NCM三元电池组装成为高压电池组时，必须设计好散热通道和装置，才能满足比赛要求.

2.3   内阻分析

在电化学行为上，电池的内阻分为两部分：欧姆内阻和极化内阻.欧姆内阻对于具体某个电池来说，是个相对固定值，其值为正极、负极、隔膜、连接片等内阻之和，而极化内阻与正负极材料、电解液的浓度、电池电化学反应、环境温度等有关[7].目前，国内外对电池内阻的分析一般仅限于内阻的测试和辨识方法[8]以及在不同状态下的电池内阻特性研究[9].

图4（a）为电池1 C充电时，内阻的变化情况;图4（b）—图4（d）为电池3 C/3.5 C/4 C放电时的内阻变化情况.由图4（a）可看出，充电初始阶段（小于1 700 s时），电池内阻约为0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范围内波动，表明电池在刚开始充电时，欧姆内阻起主要作用，即0.01 mΩ的内阻为正极、负极、隔膜、连接片等内阻之和;当充电时间大于1 700 s后，内阻逐步上升，充电3 200 s以后内阻达到0.2 mΩ的峰值，表明充电1 700～3 200 s阶段，极化内阻起主要作用，在这个阶段正极材料内的锂离子在外部电场的作用下克服化学键能脱嵌并迁移、嵌入负极，同时储存电量，因而内阻不断增加，极化现象加剧.由图    4（b）—图4（d）可看出，电池在放电初始阶段，电池的内阻逐步下降，表明电池初始放电时极化内阻起主要作用，在这个阶段负极材料内的锂离子在电池内部电场的作用下克服化学键能脱嵌并迁移、嵌回正极，同时放出电量，因而内阻不断降低，极化现象减弱.不同放电倍率下，极化降低速率不同，由图4（b）—  图4（d）可看出，极化内阻起主要作用的阶段，3 C倍率为1 150 s，3.5 C倍率为650 s，4 C倍率为200 s，表明放电倍率越大，极化降低速率越快.

3    结论

本文采用电池单体充放电测试系统对NCM三元锂离子电池进行充放电特性研究，研究了不同放电倍率下电池的温度变化，和充放电过程中的内阻的变化情况.结果表明：

1）1 C倍率充时，电池A电压从3.2 V升至4.2 V，电池充电容量14.2 Ah.而电池B充电容量14.1 Ah.

2）3 C倍率（耐久性能）放电时，电池温升不超过50 ℃，可以足容量放电;3.5 C倍率（弯道性能）放电时，电池放电至容量9 Ah（电压3.4 V）时，电池温升超过50 ℃达到电池温控上限;4 C倍率（加速性能）放电时，电池放电至容量5 Ah（电压3.5 V）时，电池温升超过50 ℃达到电池温控上限;因此，采用NCM三元电池组装成为高压电池组时，必须设计好散热通道和装置，才能满足比赛要求.

3）充电初始阶段（小于1 700 s时），电池内阻约为0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范围内波动，欧姆内阻起主要作用;当充电时间大于1 700 s后，极化内阻起主要作用;电池在放电初始阶段，极化内阻起主要作用，后期主要是欧姆内阻起主要作用;放电倍率约大，极化降低速率越快.

参考文献

[1]     钟筱良. 新能源电动汽车动力电池概述[J]. 现代零部件， 2013（5）：30-32.

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[4]     吴海平，沈育，李超杰.纯电动车在出租车行业推广的充换电策略分析[J].电动自行车，2018（10）：44-46.

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[9]     粟智，翁之望.交流阻抗法测定锂离子电池正极材料的导电率[J].计算机与应用化学，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