本文选用三元锂电池进行充/放电测试，得到电池容量，采用脉冲充/放电测试得到电池内阻、功率，分析三元锂电池在不同环境温度下的性能变化。

**1 **实验

**1.1 **实验对象及设备

以三元锂电池为研究对象，测得不同编号电池的基本数据如表 1所示。

实验测试所用为瑞能充放电设备(输入电压：380V，最大输出电压：5V，温度采集范围：-40100℃)，贝尔高低温实验箱(温度设置范围：-40150℃，升温速率：24℃/min，降温速率：0.71.0℃/min)。使用瑞能充放电设备温度采集线监测电池放电过程中的温度变化。

**1.2 **实验步骤

在不同环境温度下对三元锂电池进行电性能测试，实验流程如图1所示。

**1.2.1 **容量测试

放电容量测试：

(1)在室温下将电池以1C(2.4A)恒流放电至截止电压2.75V，搁置45min；

(2)在室温下以1C对电池恒流充电至4.2V，然后以4.2V恒压充电至电流为0.12A截止，搁置45min；

(3)将高低温实验箱温度调整为55 ℃，电池搁置于实验箱8h，使电池内外部温度稳定，分别以0.2C、0.5C、1C、2C对电池恒流放电至2.75V，搁置45min；

(4)调整高低温实验箱温度分别为10、0、-10℃，重复(2)~(3)，直到完成不同温度下不同倍率的放电容量测试。

充电容量测试：

(1)在室温下将电池以1C(2.4A)恒流放电至2.75V，搁置45min；

(2)将高低温实验箱温度调整为55℃，电池搁置于实验箱8h，使电池内外部温度稳定，分别以0.5C、1C、2C、3C对电池恒流恒压充电至电流为0.12A截止，搁置45min；

(3)调整高低温实验箱温度分别为10、0、-10℃，重复(1)~(2)，直到完成不同温度下不同倍率的充电容量测试。

**1.2.2 **脉冲测试

(1)在室温下将电池以1C恒流恒压至电流为0.12A截止，记此时SOC=100%；

(2)将高低温实验箱分别调整为55、10、0、-10℃，将电池搁置于高低温实验箱8h，使电池内外部温度保持一致。电池在设定温度下以3C恒流放电5s，记录放电开始前电压与放电结束前电压的压差ΔU1，搁置45min；电池以2C恒流充电5s，记录充电开始前电压和充电结束前电压的压差ΔU2，搁置45min；

(3) 在室温下以1C对电池放电以调节电池ΔSOC为10%，搁置60min；

(4)重复(2)~(3)，以完成电池放/充电内阻测试；计算不同SOC下的直流内阻，R=ΔU/I。

**2 **结果与讨论

**2.1 **放电性能研究

**2.1.1 **环境温度和放电倍率对电池放电容量及产热的影响

图 2 为不同环境温度和不同放电倍率下，电池放电容量与电压、产热的变化曲线，可以看到在相同放电倍率下，放电平台电压随着环境温度的降低而降低，放电容量也随之减小。在相同环境温度下，随着放电倍率的增大，放电平台电压逐渐下降。

图2 不同环境温度下三元锂电池在不同倍率放电时，电压、电池实时温度与放电容量的变化曲线

如图2(a)所示，当环境温度为55℃时，不同倍率下的放电容量变化很小，表明在高温下，放电倍率对电池放电容量的影响较小。当环境温度为10℃及以下时，放电容量随着放电倍率的增大而减小[图2(b)~(d)]。此外，如图2(d)所示，在-10℃下以1C和2C放电时，发现电压在放电瞬间骤降，这主要是因为温度较低，电池内部粘度大，内阻变大，电池内部电化学反应缓慢。随着放电的进行，电池内部升温，反应速率加快，电压逐渐回升，随后又降低至截止电压。

在测试电池放电容量的同时，使用瑞能充放电设备温度采集线采集电池的表面温度。可以发现在所有温度下，当放电倍率为0.2C时，电池表面温度基本不变，但当放电倍率增加到2C时，电池表面温度明显增大。说明在大倍率放电时，电池内部反应剧烈，产热严重，可能会导致电池内部损伤，造成安全隐患。此外，随着环境温度的降低，相同放电倍率下电池产热也越来越大。

为了进一步探究环境温度对三元锂电池放电容量和温升的影响，绘制了放电容量和温升随环境温度变化折线图(图3)。可以看出当环境温度为 55℃时，放电容量是电池额定容量的105.0%，这主要是因为环境温度的升高有利于促进电池内部的电化学反应，锂离子加速运动。

在低温下，电解液的离子导电率下降，电池内部反应减缓，导致放电容量减小，-10℃下放电容量仅为额定容量的83.9%。另一方面，当环境温度为55℃时，电池放电过程中温升为3.4℃，当环境温度为-10℃时，温升显著增大，高达28.4℃。这主要是因为在低温下，电池内阻大，电池放电时产生较多热量，当环境温度升高时，电池内阻减小，发热量下降，说明低温环境下对三元锂电池的放电性能(容量及温升)影响更大。

**2.1.2 **环境温度对电池放电内阻的影响

图4为不同环境温度下，脉冲放电倍率为3C时，两个电池的放电内阻与SOC关系曲线。可以看到两个电池在相同温度下，内阻随SOC变化曲线相似。当环境温度为55和10℃时，随着SOC的降低，内阻无明显变化。当环境温度为0℃时，电池内阻随着SOC的降低先降低再升高。当环境温度为-10℃时，由于温度较低，电池在SOC为0.6左右时无法继续放电。

同一电池在相同的SOC下，随着环境温度的降低，内阻逐渐升高，在环境温度为-10℃时达到最大，是环境温度为55℃时内阻的5倍左右。说明在低温下，电池内阻显著增大，主要是因为环境温度过低，电池内部离子传输缓慢，电化学反应变慢，欧姆内阻和极化内阻增大，导致电池直流内阻增大。

**2.1.3 **环境温度对电池放电功率的影响

图5为不同环境温度下，脉冲放电倍率为3C 时，两个电池的放电功率随SOC的变化曲线。可以看到两个电池的变化曲线相似，功率随着SOC的降低而降低，在相同SOC下，功率随着环境温度的降低而降低。这是因为脉冲放电时电流相同，功率P主要受电压U的影响，环境温度降低时，内阻增大，电压随之降低，功率也相应减小。随着温度进一步降低至-10℃时，放电功率显著下降，并且在放出40%电量之后已经无法大倍率放电(3C)，影响电池的正常使用。

**2.2 **充电性能研究

**2.2.1 **环境温度和充电倍率对电池充电容量的影响

图6为电池充电容量在不同环境温度、充电倍率下的变化曲线，可以看到在55和10℃环境温度下进行低倍率充电时，充电容量曲线较为平滑，充电容量随着充电倍率的增大而减小。在10℃大倍率充电和低温充电时，发现电压在瞬间有较大回升，出现峰值后缓慢下降，最后持续升高至截止电压。

图6 不同环境温度时，三元锂电池在不同倍率充电时电压与充电容量的变化曲线

这主要是因为在低温下，电池内部粘度大，导致内阻变大，恒流充电时端电压增大，继续充电电池内部温度升高，内阻变小，电池端电压随之下降，充电恢复正常。值得注意的是，当温度低于0℃，对电池大倍率充电的瞬间，电压急剧增大至4.2V，已不能正常充电。

**2.2.2 **环境温度对电池充电内阻的影响

图7为不同环境温度下，脉冲充电倍率为2C时，两个电池的充电内阻与SOC关系曲线。可以看到不同温度下，电池充电内阻随SOC变化曲线相似，内阻随着SOC的增大先降低，然后小幅度变化。此外在同一SOC下，随着环境温度降低，电池内阻增大。当SOC为0.1时，充电内阻从55℃时的45mΩ增加到-10℃时的138mΩ，说明在低温环境下，电池内阻明显增大，降低电池的使用性能。

**2.2.3 **环境温度对电池充电功率的影响

图8为不同环境温度，脉冲充电倍率为2C时，两个电池功率与SOC的关系曲线。可以看到当环境温度为-10℃时，对电池脉冲充电瞬间，电压到达4.2V，功率也达到最大值20.16W，无法正常充电。随着环境温度升高，电池正常充电，充电功率随着SOC的增大而增大，脉冲充电性能有所改善。

**3 **结论

通过本文的研究，可以发现使用温度对三元锂电池性能影响十分显著，具体如下：

(1)放电过程中：随着温度降低，电池放电平台电压降低，放电容量出现了一定程度的衰减。温度越低，放电内阻增大，放电功率减小，在低温、低SOC区间内不能大倍率脉冲放电，并且低温放电时电池温升显著，易造成安全隐患。

(2)充电过程中：随着温度降低，电池充电平台电压升高，充电容量减少。温度越低，充电内阻和充电功率越大，影响电池的充电效率。

综上，环境温度在-10~55℃范围内，在高温(55℃)下三元锂电池性能稳定，但低温下电池充/放电性能都出现一定程度的衰减。电池应避免在低温环境下使用，当在低温使用时，可以对电池进行预热，以改善电池的充电效率和续航能力。

文献参考：张阳琳,别传玉,高标,张宇平.三元锂电池储能性能与工作环境温度关系研究[J].电源技术,2022,46(12):1402-1406。