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锂离子电池PACK放电容量受哪些因素影响?

   次浏览   锂电联盟会长   2021-01-14

锂离子电池具有容量大、比能量高、循环寿命好、无记忆效应等优点,发展迅速,容量作为其最关键的性能指标也备受研究人员关注。相应地锂电池PACK正不断向大容量、快速充电、长寿命和高安全性方向发展,对其制造过程中的工艺技术也提出了新的要求。


锂离子电池PACK主要是将电芯经筛选、配组、组包和装配后进行电性能测试,确定出容量、压差是否合格的产品。


电池串并联单体之间的一致性是在电池PACK中需要特别考虑的,只有具备良好的容量、荷电状态、内阻、自放电一致性等才能实现电池组容量的发挥和释放,若一致性不良会严重影响电池组整体性能,甚至会引发过充电或过放电以致造成安全隐患。而良好的配组方案是提高单体一致性的有效途径


锂离子电池受环境温度的影响制约,温度过高或过低都会对电池容量产生影响。电池长时间在高温条件下工作其循环寿命可能受影响,温度过低则容量难以发挥。


放电倍率体现出电池的大电流充放电能力,倍率过小,充放电速度慢,影响测试效率;倍率过大,由于电池的极化效应和热效应等,容量会有所降低,因此需要选择合适的充放电倍率。


一、配组一致性

良好的配组既可以提高电芯利用率,又可以控制好单体一致性,是实现电池组放电获得良好放电容量及循环稳定性的基础。而配组不佳电池单体容量交流阻抗的离散程度会加剧,继而削弱电池组循环性能及可用容量。


徐萌飞提出了一种根据电池的特征向量来进行电池配组的方法。该特征向量反映单体电池的充放电电压数据与标准电池的充放电数据的相似性程度。电池的充放电曲线越接近标准曲线,其相似程度也就越高,相关系数越接近于1这种配组方法以单体电压的相关系数为主,再结合其他参数来进行配组,能得到比较好的配组效果。这种方法的难点在于需要提供标准的电池特征向量。由于生产水平的限制,每批生产的电池之间肯定存在差异,想要得到一组各批电池均适合的特征向量非常困难。


张剑锋等采用定量分析法分析了单体电池之间的差异评价方法。首先采用数学方法对影响电池性能的关键点进行提取,然后进行数学抽象,实现电池性能的综合评价和比较,将对电池性能的定性分析转化成定量分析,为电池组的综合性能最佳配组提出了一种可以实际操作的简单方法。提出了基于电池筛选配组的综合性能评价体系,将主观的德尔菲打分和客观的灰色关联度测算结合起来,建立了电池的多参数灰色关联模型,克服了以单一指标作为评价标准的片面性,实现了对功率型动力电池的性能评价,评价结果得到的关联度为电池后期的筛选配组提供了可靠的理论依据。


动态特性配组法主要是根据电池的充放电曲线来实现配组功能,其具体实现步骤是首先提取曲线上的特征点,形成一条特征向量,根据每条曲线之间特征向量之间的距离为配组指标,通过选取合适的算法来实现曲线的分类,进而完成电池的配组过程这种配组方法对电池在工作时的性能变化考虑周全。在此基础上再选择其他合适的参数来进行电池配组,能分选出性能较为一致的电池。


二、充电方式

合适的充电制度对于电池放电容量有重要影响。充电深度浅,则放电容量会相应减少,若过充则会影响电池的化学活性物质造成不可逆的伤害,降低电池的容量和寿命因此需要选择合适的充电倍率、上限电压和恒压截止电流,以保证在实现充电容量的情况下,兼顾优化充电效率和安全稳定性。


目前动力锂离子电池多采用恒流-恒压充电模式。刘炎金等通过分析磷酸铁锂体系和三元体系电池在不同充电电流及不同截止电压下的恒流恒压充电结果,可知:(1)充电截止电压一定时,充电电流增大、恒流比减小,充电时间缩短,但能耗增加;(2)充电电流一定时,随着充电截止电压的降低,恒流充入比减小,充入容量和能量都在降低,为保证电池容量,磷酸铁锂电池的充电截止电压不能低于3.4V需要平衡充电时间和能量损耗,选择合适的充电电流和截止时间。


各单体SOC一致性很大程度上决定了电池组放电能力,而均衡充电为实现各单体放电初始SOC平台相近提供了可能,可以提高放电容量和放电效率(放电容量/配组容量)充电中的均衡方式是指动力电池在充电过程中的均衡,一般是在电池组单体电压达到或高于设定的电压时开始均衡,通过减小充电电流防止过充电。


祁华铭根据电池组中单体电池的不同状态,通过电池组均衡充电控制电路模型、均衡电路微调单体电池的充电电流,提出了一种既能够实现电池组快速充电,又能够消除单体电池不一致对电池组循环寿命影响的均衡充电控制策略。具体是通过开关信号,将锂离子电池组整体能量对单体电池进行补充,或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。在电池组充电过程中,通过检测各个单体电池的电压值,当单体电池电压达到一定值时,均衡模块开始工作。把单体电池中的充电电流进行分流从而降低充电电压,分出的电流经模块转换将能量反馈回充电总线,达到均衡的目的


张志提出了一种变倍率充电均衡解决方案,该方案的均衡思想是只对能量低的单体电池进行附加能量补给,避免了将能量多的单体电池能量取出的过程,这就大大简化了均衡电路的拓扑结构。即采用不同的充电倍率对不同能量状态的单体电池进行充电,从而达到良好的平衡效果。


三、放电倍率

放电倍率对于功率型动力电池而言是一个至关重要的指标。电池的大倍率放电,对正、负极材料和电解液等都是一个考验。对正极材料磷酸铁锂而言,其结构稳定,充放电过程应变小,具备大电流放电的基本条件,但不利因素是磷酸铁锂的导电能力较差电解质内的锂离子扩散速度是影响电池放电倍率的主要因素,而电池内部离子的扩散又与电池的结构、电解质浓度密切相关。


因此不同的放电倍率导致电池的放电的时间、放电电压平台不同,进而导致放电容量的不同,这对于并联电池组来说尤为明显。因此需要选择合适的放电倍率。放电容量与放电倍率(电流)的关系可以用 Peukert 方程描 述:
式中:I为放电电流;n为Peukert常数,与电池的结构相关,其值在1.151.42;K为常数,是与蓄电池中活性物质的量有关的常数。

电池的可用容量随放电电流的增大而减小

姜翠娜等研究了放电倍率对磷酸铁锂电池单体可放出 容量的影响,将一组同一型号初始一致性较好的单体电池均 以1C电流充电至3.8V,然后分别以0.10.20.5123C的放电倍率放电至2.5V,记录电压与放出电量之间的关系曲线,如图1所示。实验结果表明,2C放出的容量分别是 C/3放出容量的97.8%96.5%,放出的能量分别是C/3 放出的能量的97.2%94.3%,由此可见随着放电电流的增大,锂离子电池放出的容量和放出的能量有明显减少。
图 1 不同放电倍率的电压-放电容量曲线

锂离子电池在放电时,一般选用国家标准1C ,最大放电 电流通常限制在23C 在大电流进行放电时,会产生较大的温升并导致能量的损耗。因此需实时监控电池组的温度,防止温度过高对电池造成损坏、减少电池的使用寿命。

四、温度条件
温度主要影响电池内部极片物质的活性和电解质性能。温度过高和过低对电池的容量都有较大的影响。

低温时电池的活性明显降低,锂的嵌入和脱出的能力下降,电池内阻、极化电压增加,实际可用容量减少,电池放电能力下降,放电平台低、电池更加容易达到放电截止电压,表现为电池可用容量减小,电池能量利用效率下降

温度升高时,在正负极之间的锂离子脱出和嵌入变得活跃,从而电池内阻减小,内阻稳定时间变长,使得外电路中电子迀移量增多,容量得到更加有效的发挥。但是电池长时间在高温环境下工作,正极晶格结构的稳 定性会变差,电池的安全性会降低,电池的寿命会明显缩短。

李哲等研究了温度对电池实际可放出容量的影响,记录了不同温度下电池实际放出电量与标准可放出容量 (251C放电的比值。将电池的容量变化与温度进行拟合,得到:
式中:C为电池容量;T为温度;R2为该拟合的相关系数。实验表明,低温下电池容量衰减极快,而在常温左右容量随着温度升高而增长。-40时电池的容量仅为标称值的1/3,而在060℃ ,电池容量从标称容量的80%升至100%

分析认为,低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率,这表明低温对电池的活性影响较为明显,从而影响电池的可放出电量。随着温度上升,充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降。不过在较高温度时会破坏电池内的化学反应平衡和材料的稳定性,导致可能产生副反应,从而对电池容量和内阻产生影响,导致循环寿命缩短甚至降低安全性。

因此,高温和低温都会影响磷酸铁锂电池的性能和使用寿命,实际工作过程中应通过增加电池热管理等方法保证电池工作在适宜的温度条件下。在电池组PACK测试环节可以建立25的恒温检测室。

五、总结
本文结合锂离子电池PACK实际情况,对影响放电容量的因素进行了分析与讨论。良好的电池组配组一致性是实现电池组放电性能和水平的前提,可以参考使用动态特性配组法。充电方式推荐使用均衡充电方式保证放电前各单体SOC平台相近。需要选择合适的放电倍率大小,兼顾好容量和测试效率。环境对电池测试有较大影响,需做好温度条件的控制。
参考文献:黄保帅等《基于锂离子电池PACK放电容量影响因素的研究》
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