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车用锂离子蓄电池低温性能研究

  东风汽车公司技术中心   2021-03-15 次浏览

众所周知,锂离子蓄电池自身温度保持在20~30℃范围内为最佳,保持在0~45℃的范围内较舒适。当蓄电池温度低于0℃时,容易出现充电析锂或放电功率下降以及循环寿命缩短。如果不在功率上加以控制,那么可能还会面临热安全的问题。
因此锂离子蓄电池在低温环境应用中存在较多的问题,这限制了锂离子蓄电池的规模应用。
目前针对车用蓄电池的性能研究主要集中在高温环境下散热问题。随着低温环境下对电池充放电需求的增加,人们对蓄电池低温性能的研究越来越多。
改善蓄电池的低温性能是拓宽锂离子蓄电池应用领域中必须解决的关键问题之一。本文对蓄电池单体和蓄电池模组从低温下的容量、内阻以及超低温下的放电功率等方面进行了探讨,为后续蓄电池的选型以及蓄电池系统的设计开发提供了一定的参考依据。

 

1试验


将蓄电池单体/蓄电池模组置于恒温箱中,连接蓄电池单体/模组充放电测试设备、蓄电池单体测试设备规格:

5V,400A,2kW;模组测试设备规格:120V,400A,60kW;测试蓄电池单体为51AhNCM体系蓄电池单体蓄电池模组为20Ah1P9S磷酸铁锂体系蓄电池模组。测试台架示意图如图1所示:

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2低温对蓄电池单体容量的影响

 

将蓄电池单体与充放电测试设备连接后,在25℃下以1C倍率充电至截止电压,转为恒压充电,充电完成后静置至目标温度。然后以1C倍率放电至截止电压(-20℃及以下温度放电截止电压为2.4V,20℃及以上温度放电截止电压为2.8V)。目标温度分别为-30℃、-20℃、20℃、55℃。其放电容量测试结果见表1:

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由表1可得,随着温度的降低,1C倍率下的放电容量不断下降。由55℃下的54.306Ah降低到-30℃下的41.327Ah,衰减率为23.9%%。为研究不同温度下放电容量衰减的原因,做出了不同温度下的1C放电容量电压曲线,如图2和图3所示:

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试验结果表明,随着温度的降低,电池电压不断下降,当温度下降至-20℃及以下时,初始阶段的1C倍率放电电压会呈现一个先下降后上升的趋势。这主要是由于在低温下电池的内阻非常大(表2),电极极化严重,当放电时,蓄电池的电压较低。随着放电继续,蓄电池放电过程中产生的热量使蓄电池的温度迅速升高,内阻降低,因此在放电过程中,当放电电压达到一个波谷后会出现反弹然后再降低的过程,温度的变化如图3所示:

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采集蓄电池单体温度的数据为单体中间位置处的温度数据从图可得不同温度下的1C放电倍率下,当放电容量达到10Ah时,-30℃、-20℃、20℃、55℃下的蓄电池单体温升分别为1.6℃、1.2℃、1.1℃以及0.3℃。从数据可以看出,低温下的生热速率要大于常温及高温,但是由于低温下与环境的热交换比较大,所以-20℃下的温升比20℃下的温升仅高0.1℃。低温下的较大的生热速率使得温度在放电过程中迅速升高,进而导致蓄电池单体的内阻下降,这与不同温度下1C放电电压的变化趋势相吻合。

 

3低温对蓄电池单体内阻的影响

 

蓄电池内阻分为极化内阻和欧姆内阻:极化内阻主要是由于浓差极化和电化学极化引起的内阻欧姆内阻是指电极材料、电解液、隔膜以及蓄电池单体中各结构件之间的接触电阻综合形成的蓄电池欧姆内阻。为探究不同温度下蓄电池单体直流放电的内阻,验证不同温度下蓄电池单体电压的变化及温度变化,对不同温度下的蓄电池单体进行了50%SOC直流放电内阻测试。本次测试采用混合脉冲功率性能测试方法(HPPC)测定不同温度下的直流放电内阻,测试结果见表2。

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随着温度的降低,内阻逐渐增加,相较于20℃下50%SOC直流放电内阻,-20℃的50%SOC直流放电内阻增加了275%,-30℃的直流放电内阻增加了381.25%。因此,在低温下的放电过程中,导致产生了较大的热量,使蓄电池单体的温度迅速升高,内阻下降,进而导致了低温下蓄电池单体1C放电电压曲线呈现出先下降后升高的趋势。不同温度下的直流放电内阻变化趋势如图4所示。 

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4超低温下的大倍率放电研究

 

目前锂蓄电池电解液在很宽的温度范围内都保持液态,一般温度范围为-40~70℃。因此,本文研究了-40℃超低温环境下的蓄电池大倍率放电性能。由于在超低温(-40℃)下大倍率放电时,蓄电池电压会出现突降现象,故大功率输出受限。

为研究超低温下蓄电池的大倍率放电性能,本次试验采用20Ah·h 1P9S LFP体系蓄电池模组。因此,本次试验采用了模组底部贴装功率为270W的PTC并外接稳压电源用以给模组加热,然后将蓄电池模组接通模组充放电测试设备。放电过程如下,将模组以270W放电30S,同时接通PTC;以3516W放电,若试验过程中出现突降情况,则重新返回270W放电30S,接通PTC,直至当模组以3516W放电不出现突降时,将模组以3516W持续放电至截止电压,试验结束,试验台架示意图如图5所示。

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由图6可得,蓄电池模组以270W放电30S,同时利用270WPTC加热,然后模组以3516W放电,此放电过程进行了18个循环,总计9min。模组以3516W功率放电时不再出现电压跳变。

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由于模组自身生热以及PTC的加热,模组的温度逐渐升高,温度变化情况如图7所示。当模组顶盖中间位置温度达到-31.51℃时,模组以3516W功率放电不再出现电压跳变,此时蓄电池模组电压为17.48V。在3516W放电过程中电压变化曲线呈现一个先上升后下降的趋势,这主要是由于低温下的内阻较大。随着放电过程的进行,蓄电池模组产生较大的热量使得内阻降低,因此蓄电池模组电压会上升。当电压达到最高点时(25.11V),继续以3516W放电,此时电压的变化会受到蓄电池模组内阻以及SOC的综合影响,最终使得蓄电池电压逐渐降低。

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5结论

 

通过探讨蓄电池单体以及蓄电池模组低温容量内阻和功率性能,分析了低温对电池单体容量内阻以及蓄电池模组功。率性能的影响,得出以下结论:

1)低温下,蓄电池单体的放电容量明显降低,在放电。过程中,放电电压曲线呈现先下降后上升,最后再下降的一个趋势。这主要是受到在放电过程中,内阻由于温度升高而降低的影响所导致的变化。

2)低温下的直流放电内阻较常温下的直流放电内阻显。著增加,相较于20℃的50%SOC。直流放电内阻,-20℃的50%SOC直流放电内阻增加了275%,-30℃的直流放电内阻增加了381.25%。

3)超低温下蓄电池模组在大倍率放电时电压会产生突降现象,利用加热部件PTC提高电池模组的温度,可有效解决超低温下蓄电池模组在大倍率放电时的电压突降问题。

综上,在低温环境中,通过蓄电池包的热管理系统对蓄。电池进行加热,能够有效降低低温对电池包性能的影响提升蓄电池包的性能,拓宽蓄电池包的应用场景

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