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某电动车用三元材料锂离子电池低温性能研究

时间:2015-8-12 16:49:50来源:本站原创浏览次数:
摘 要:锂离子电池以其低成本、长寿命、高性能等特点正在成为电动汽车的核心电源类型。本文基于某电动车用三元材料电池,在电池组层面上,对不同温度下的容量效率、能量效率、直流阻抗、功率性能等方面进行测试,详细分析了三元电池组在低温下的各种性能,结果表明三元锂电池组在低温下具有较高的电性能,如放电功率等,相比于同规格的磷酸铁锂电池可提高10%,满足整车低温使用要求。
  关键词:三元电池;低温性能;直流内阻;功率
  中图分类号:U469.72+2 文献标识码:A 文章编号:1005-2550(2015)02-0033-04
  Abstract: Lithium-ion battery has been used for the core power source of the electric vehicle with low-cost, long-life, high-performance features. The performance of capacity/energy efficiency and DC resistance, power at different temperatures in the battery pack level has been performed based on NCM battery of electric vehicle in this paper. A detailed performance analysis of battery pack at low temperatures has been introduced. The results show that the NCM lithium batteries have more than 10% higher electrical performance than LFP lithium battery to meet the requirement of vehicle in lower temperature usage, such as discharge power and capacity.
 1 前言
  近年来,由于环境污染愈发严重,各国争相发展新能源汽车产业,作为纯电动车和混合动力汽车的配套电源,锂离子电源以其低成本、长寿命、高比能量和高比功率正在成为现阶段车用主要动力来源[1-5]。目前,电动汽车主流使用的电池为磷酸铁锂电池,因其良好的安全性能、长寿命和高性价比而广受欢迎。但是,随着技术的不断发展,磷酸铁锂材料的能量密度已遇到瓶颈,已经很难满足未来电动汽车的需求。三元材料Li(NixCoxMnx)O2电池具有LiNiO2的高比容量,LiCoO2的优良循环性能,LiMn2O4的高安全性以及低成本等特性逐渐成为未来电动车动力电池的主要选择。
  电池所使用的环境温度对电池的容量、能量、内阻、功率等性能有较大的影响,作为车用能源核心,低温是普遍使用的工况。本文选用可产业化电动车用三元电池,在电池组层面上,对其低温各项电性能进行测试试验并分析,为整车低温性能开发提供重要依据。
  2 三元材料电池低温性能试验方法
  采用生产厂家美国 Bitrode、型号为FTF-600-600BS的动力电池组测试系统和SDH4045P型大型高低温交变湿热试验箱。测试系统主要由机柜、充放电模块和上位PC机测试软件组成。测试系统用于对单体锂离子电池进行充放电和性能测试,通过监控软件对电池组测试数据进行分析处理和归档保存,由此完成电池性能的评估。电池系统测试参数包括:充放电电流、电池温度、电池电压、充放电容量、充放电时间等。
  (1)电池组容量、能量测试方法
  在25℃下,对电池组进行0.5C充电,直至达到单体最高允许充电截止电压。降温,待温度达到指定温度并稳定后,进行工况放电,直至达到单体最低允许放电截止电压,记录放电容量和能量。
  (2)电池组直流内阻测试方法
  根据容量测试数据,分别在SOC100%、90%、80%、…10%状态下,用整车加速下最高功率输出所对应的平均放电电流放电10 s,计算得出10 s末的直流内阻值,可参考HPPC测试方法。
  (3)电池组低温功率测试方法
  根据容量测试数据,对电池组进行放电,分别测试90%SOC、60%SOC、30%SOC、20%SOC、10%SOC五个点的功率值,用恒功率放电,分别得出5 s和10 s的放电功率。
  3 试验结果分析
  3.1 电池规格
  表1所示为三元及磷酸铁锂电池组的规格型号,两款电池组容量、额定电压接近,分别对其开展性能测试,比较三元及磷酸铁锂材料的低温性能,评估三元材料电池在低温性能上的优势。
  3.2 电池组低温容量、能量性能测试分析
  对三元电池组进行不同温度下容量、能量测试,计算其能量效率和容量效率,并与磷酸铁锂电池进行比较。具体结果如表2和图1所示:
  从表2中可以看出,随着环境温度的降低,两款电池组的容量效率与能量效率都在降低,这是因为从动力学角度出发,当环境温度降低时,电池内部的氧化还原反应的速率降低,离子移动速度减慢,电池的内阻上升,从而使其放电容量降低。同时,随着环境温度的降低,电池出现自动加热效应,电池电压在刚开始的急速下降后,在放电中期慢慢得到恢复,其中有部分能量用于自加热使电池温度上升,故此使得其放电容量和能量下降。
  从图1中可以看出三元电池组在低温下的容量效率和能量效率都要比磷酸铁锂高,且随着温度的降低其容量效率和能量效率的下降速率也要比磷酸铁锂低,这说明三元电池组的低温性能要优于磷酸铁锂电池组。这是因为一、三元材料的电池能量密度要比磷酸铁锂材料的电池高,故在相同条件下,其能量效率要高于磷酸铁锂电池;二、三元材料电池的内阻要略大于磷酸铁锂电池,故在放电过程中,其所释放出的热量要相对较高,由于电芯在电池组内排列相对紧密,故有一部分热量无法及时排出,从而导致电芯表面温度升高,在低温环境下,随着电池温度的升高,电池内部电化学反应速率增加,离子移动速率加快,放电能力提高,因此,三元材料电池的放电容量和放电能量要高于磷酸铁锂电池。

 3.3 电池组低温直流内阻测试分析
  电池组直流内阻测试方法如图2所示,对电池组进行放电电流的快速切换,在短时间(毫秒级)内改变放电电流,测试设备能根据电压与电流的瞬变值,得到直流内阻近似值。
  分别对三元电池组进行各个温度下的直流内阻测试,测试结果如表3和图3所示:
  直流内阻包含三个部分,分别是欧姆内阻、浓差极化内阻和活化极化内阻。其中欧姆内阻是由电池本身的材料所决定的,因此欧姆内阻一旦确定,其值是不变的。活化极化内阻是由电化学反应体系的性质决定的,电池体系和结构确定了,其活化极化内阻也就确定了。浓差极化内阻是由参加电极反应的离子浓度变化引起的,因此,环境温度的降低,会使电池内部的离子活性降低,离子移动速率降低,参与电化学反应的离子浓度也就降低,电池内阻上升。因此随着温度的降低,直流内阻在不断增加。
  3.4 电池组低温功率性能比较
  分别对三元电池组和磷酸铁锂电池组进行低温下实际功率测试,比较其低温功率性能。具体结果如图4所示(图4见下页)。
  从图4中可以看出,随着环境温度的降低,两款电池组的功率值都在降低,这是因为温度的降低,使得电池内部的电化学活性降低,从而使得电池的放电能力减弱,同时随着SOC的降低,其放电功率也在逐渐降低,这是因为随着容量的降低,其放电能力逐渐减弱,导致功率值降低。通过比较,可发现三元材料电池的低温功率明显要高于磷酸铁锂电池,这就说明三元材料电池在低温功率特性上要明显优于磷酸铁锂电池。
  4 结论
  通过以上电性能试验及数据分析,可以得到三元材料电池组的低温性能都要优于磷酸铁锂材料电池。初步分析,磷酸铁锂材料是橄榄石结构,属于正交晶系,导致锂离子迁移速度慢,电子传到速率低,大大制约了其低温性能的发挥。用三元材料电池代替磷酸铁锂电池,作为未来电动汽车的主要动力核心,具有一定的可行性和适用性。
  参考文献:
  [1]夏顺礼,秦李伟,赵久志等.某纯电动车电池可靠性性能分析[J].汽车工程学报,2011,1(3):215-220.
  [2]夏顺礼,秦李伟,赵久志等.某纯电动车型电池热管理系统设计分析与验证[J].汽车工程学报,2011,1 (2):140-146.
  [3]丁楚雄.锂离子电池三元正极与钛酸锂负极材料的湿化学法制备及表征.中国科技大学博士学位论文.2012.
  [4]胡悦丽.锂离子电池低温性能影响因素的分析与研究.湖南大学硕士学位论文.2013.
  [5]肖利芬,艾新平,杨汉西,曹余良.锂离子电池多元电解质溶液的电导行为研究[J].电池, 2004,34 (4):270-274.
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