第47卷第18期2011年9月机械工程学报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGVol.47 No.18Sep. 2011DOI：10.3901/JME.2011.18.115动力型磷酸铁锂电池的温度特性*李哲韩雪冰卢兰光欧阳明高(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京 100084)摘要：动力型磷酸铁锂电池的特性与环境温度紧密相关。
电池的容量特性、内阻数值和荷电状态—开路电压曲线是反映电池基本性能的重要特性指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数。
主要进行不同环境温度下电池的以上各性能试验，研究在不同的环境温度下电池的容量、内阻和开路电压的变化规律。
动力型磷酸铁锂电池的容量在低温下迅速降低，在高温下迅速上升，高温下的容量变化速度小于低温；随温度上升，充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降，温度不同时电池的欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率，低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率；同时，低温下的荷电状态—开路电压曲线低于高温下的曲线，但总体上，曲线受温度的影响并不显著。
关键词：磷酸铁锂电池温度容量内阻开路电压中图分类号：U464Temperature Characteristics of Power LiFePO4 BatteriesLI Zhe HAN Xuebing LU Languang OUYANG Minggao(State Key Laboratory of Automotive Energy and Safety, Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract：The characteristics of power LiFePO4 batteries are closely connected to ambient temperature. The capacity characteristic, resistance and state of charge-open circuit voltage (SOC-OCV) curve are important parameters to represent the performance of power batteries and to determine battery management system (BMS) design. The experiments in different ambient temperatures are carried out and the laws between temperature and capacity, resistance and OCV are studied. The capacity drops sharply under low temperature, and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up. Ohmic and polarization resistances during charge and discharge process decrease when the temperature rises, and the change rate of ohmic resistance is higher than the polarization resistance, moreover, the change of ohmic resistance under low temperature is more significant than under high temperature. With the decrease of temperature, the SOC-OCV curve moves down, but generally, the curve is affected only slightly by the change of temperature.Key words：Power LiFePO4battery Ambient temperature Capacity Resistance Open circuit voltage(OCV)0 前言电池所处的温度受到许多因素的影响，如环境温度、电池本身的热力学参数以及电池组的装配和热管理方法等[1-5]。
同时，电池的容量特性、内阻数值和开路电压曲线是反映电池基本性能的重要指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数：电池容量大小的变化规律[6]影响电池的寿命管理和荷电状态估算。
电池内阻的数值影响动力电池的功率特* 台达电力电子科教发展计划重点资助项目(20093000329)。
20100901收到初稿，20110320收到修改稿 性，如式(1)、(2)所示，同时也影响电池热管理系统对电池产热量的分析，如式(3)所示。
动力电池最大电流与功率分别为minmaxtU UIR−= (1)max min maxP U I= (2) 式中，I max为电池的最大放电电流，U为电池的开路电压，U min为电池的放电截止电压，R t为电池在放电过程中的总内阻，P max为电池的最大放电功率。
电池的产热情况与电流和电池内阻有关，如式(3)所示机 械 工 程 学 报 第47卷第18期1162g t Q I R = (3)式中，Q g 为电池的产热率，I 为流经电池的电流，R t 为电池的总内阻。
而电池的开路电压(Open circuit voltage ，OCV)曲线可以用于电池荷电状态(State of charge ，SOC)的校准，图1是某磷酸铁锂电池的SOC-OCV 曲线，可以利用这一曲线用OCV 的数值对SOC 进行校 正[7]，该校正对提高电池SOC 估算的准确性有着重要意义。
因此，了解以上三个电池特性在不同环境温度下的改变规律，可以更好地了解电池性能、设计管理系统[8-9]。
图1 某磷酸铁锂电池的SOC-OCV 曲线1 试验对象以 3.2 V/11 A ·h 磷酸铁锂动力电池单体 (天津产)为试验对象，采用DIGATRON 牌EVT500-500-80 kw-IGBT 电池试验台(德国产)和某国产高低温试验箱，分别进行了不同环境温度下电池容量、电池充放电内阻和电池开路电压曲线的 测试。
2 环境温度对电池容量的影响将充满电的电池分别置于不同的环境温度中放电，讨论放出的容量与环境温度的关系。
充电方法为，将电池以1/3 C 恒流充电至电压到达3.65 V ，改为恒压充电直至电流下降到1 A ，停止充电。
放电方法为，在环境温度中静置1 h ，再以1/3 C 恒流放电直到电压下降到2 V 为止，计算放出的容量。
将同一型号的6块磷酸铁锂电池分别置于 -40 ℃、−20 ℃、0 ℃、30 ℃、50 ℃、60 ℃下进行放电过程，电池放出的容量如图2所示。
图2 LiFePO 4锂离子电池容量随环境温度的变化可知，低温下，电池容量衰减得极快，而在常温左右，容量随着温度升高而增长，其速率相对低温下较慢。
-40 ℃时，电池的容量仅为标称值的1/3，而在0 ℃到60 ℃，电池的容量从标称容量的80%升至110%。
将电池的容量变化与温度进行拟合，得到 2 5.06974exp(/55.90333)14.037290.99784C R θ=−×−+⎧⎪⎨=⎪⎩ 式中，C 是电池容量，θ是温度，2R 是该拟合的相关系数。
3 环境温度对电池内阻的影响测量电池内阻采用混合脉冲功率特性阶跃 法[10]，试验步骤如下。
(1) 将电池放电至空。
(2) 静置1 h ，测量开路电压OCV ，记录数据(OCV 数据供步骤(4)中使用，下同)。
(3) 用1/3 C(即3.67 A)充电电流为电池充电，调整SOC 值至0.025，在这个过程中，记录电池充电前10 s 中的电池电压变化，通过这些电压值和式(4)～(7)，计算得到电池在SOC 值为0状态下的充电内阻，包括欧姆内阻和总内阻的数值。
(4) 用1/3 C(即3.67 A)充电电流将电池充电，调整SOC 值分别至0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0附近，重复第(2)、(3)步骤，即得到不同SOC 情况下电池的充电内阻和开路电压OCV 。
另外，在SOC 较大时，尤其是在 10 ℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，此时需要将电池的充电电流降至1/5 C ，以保证能够充入电量并保护电池安全。
(5) 完成充电电阻测量后，用1/3 C(即3.67 A)电流放电，分别调整电池的SOC 值至0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.075、0.05、0.025、0，同(2)、(3)步骤中方法，即得到不同SOC 情况下，2011年9月 李 哲等：动力型磷酸铁锂电池的温度特性117电池的放电内阻和开路电压OCV 。
另外，在SOC 较小时，尤其是在10 ℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，需要将电池的放电电流降至1/5 C ，以保证必需的放电持续时间和电池安全。
这一步骤的示意图如图3、4所示。
图3 电池的充电内阻测量方法示意图图4 电池的放电内阻测量方法示意图电池的充电欧姆内阻co R 、充电总内阻c t R 、放电欧姆内阻doR 和放电总内阻d t R 的计算公式分 别为cc 21oc c U U U R I I Δ−==Δ (4)d d 54o d d U U U R I I Δ−==Δ (5)c c 31t c c U U U R I I Δ−==Δ (6)64U U U R I I −Δ==Δdd tdd (7)式中，c U Δ、d U Δ为充电和放电阶跃输入前后电池的端电压变化量，c I Δ、d I Δ为充电和放电阶跃输入前后电池流经的电流变化量，U 1、U 2、U 3、U 4、U 5、U 6分别为点1、2、3、4、5、6对应的电池端电压，c I 、d I 为电池的充电和放电电流。
获得电池的欧姆内阻和总内阻后，通过总内阻减去欧姆内阻得到电池的极化内阻，在本文中，极化内阻指浓差极化内阻和电化学极化内阻的加和。
在10 ℃，25 ℃和40 ℃三种不同温度下分别测算电池充放电的欧姆内阻、极化内阻和总内阻，测算结果如图5～10所示。
图5 三种温度下各SOC 值对应的电池充电欧姆内阻曲线图6 三种温度下各SOC 值对应的电池放电欧姆内阻曲线图7 三种温度下各SOC 值对应的电池充电极化内阻曲线机 械 工 程 学 报 第47卷第18期118图8 三种温度下各SOC 值对应的电池放电极化内阻曲线图9 三种温度下各SOC 值对应的电池充电总内阻曲线图10 三种温度下各SOC 值对应的电池放电总内阻曲线(1) 在较宽的SOC 区间内，如SOC 值处于0.3～1.0时，同一温度下电池的内阻基本上不变，无论是欧姆内阻、极化内阻还是总内阻。