温度差异对电池一致性的影响

2019-05-10陶思成谢鑫廖成龙王盼盼史瑞祥

汽车零部件 2019年4期

陶思成，谢鑫,，廖成龙，王盼盼，史瑞祥,

(1.深圳渝鹏新能源汽车检测研究有限公司，广东深圳 518118；2.重庆车辆检测研究院有限公司，国家客车质量监督检验中心，重庆 401122)

0 引言

电动汽车动力电池系统通常由上百个单体电池组成，电池生产制造和使用过程中都会造成单体电池之间的充放电性能、电性能衰减速率等存在差异[1]。这种不一致性如果不加以遏制，会在使用过程中不断积累，并加速动力电池系统整体性能的衰减[2]，且埋下严重的安全隐患[3]。为了提高电池系统内部单体电池的一致性，不仅需要提高电池制造水平，电池管理系统的能量均衡、热管理等功能也发挥着不可替代的作用[4-5]。环境温度、电池充放电产热以及热传递等造成的动力电池系统内部单体电池温度差异是电池使用过程中不一致性最常见的因素之一[6]。本文作者通过对磷酸铁锂离子电池(LFP)和镍钴锰三元锂离子电池(NCM)在不同温度下进行充放电试验，深入探讨温度差异对电池一致性的影响，为相关企业设计和评估电池管理系统提供参考。

1 样品信息及试验方法

1.1 试验样品

试验使用的样品为某电池企业生产的LFP电池和NCM电池。 LFP电池(单体)额定容量为15 A·h，额定电压为3.2 V。NCM电池(单体)额定容量为21 A·h，额定电压为3.6 V。

1.2 试验设计

考虑到常温环境、北方冬季低温环境和南方夏季高温环境下动力电池系统内部单体电池可能达到的温度，选择在-20、-10、0、10、20、30、40、50和60 ℃下进行充放电试验。文中用单体电池放电容量差异来表征电池一致性。为了保证试验结果显示的电池放电容量差异主要是由温度差异造成的，降低试验样品之间因生产过程中产生的不一致性对试验结果的影响[7]，文中对所有电池样品进行了严格的一致性筛选(同种型号的所有单体电池室温放电容量极差不高于其额定容量的0.3%)。

1.3 试验方法

通过一致性筛选的电池样品(空电状态)在目标环境温度下搁置24 h后，进行充放电试验；然后再升温至25 ℃并保持24 h，进行室温下的充放电试验。LFP电池充放电方法：先1C恒流充电至3.8 V转恒压充电，至充电电流降至0.05C；静置至单体温度达到相应温度后，1C恒流放电至2.0 V。NCM电池充放电方法：先1C恒流充电至4.2 V转恒压充电，至充电电流降至0.05C；静置至单体温度达到相应温度后，1C恒流放电至2.5 V。

2 试验结果与分析

2.1 温度差异对电池放电容量的影响

LFP电池和NCM电池在不同温度下的放电容量如图1所示。LFP电池在10～60 ℃范围内的充放电性能比较稳定，放电容量极差仅为0.473 A·h，为额定容量的3.15%；但其低温性能较差，放电容量随着温度的降低大幅衰减。NCM电池在-20～60 ℃范围内的充放电性能对温度比较敏感，在40 ℃表现出最高的放电容量，为21.629 A·h；放电容量极差为5.679 A·h，为额定容量的27.04%。

图1 电池在不同温度下的放电容量

为了更加清晰地分析温度差异对电池一直性的影响，文中采用了相对容量差异法：不同温度下放电容量的差值除以相应的平均放电容量。温度差异(-20 ℃，-10 ℃)、(-10 ℃，0 ℃)、(0 ℃，10 ℃)、(10 ℃，20 ℃)、(20 ℃，30 ℃)、(30 ℃，40 ℃)、(40 ℃，50 ℃)和(50 ℃，60 ℃)，引起的LFP电池相对容量差异分别为14.58%、14.28%、6.36%、0.17%、0.95%、0.69%、1.91%和1.24%，引起的NCM电池相对容量差异分别为9.45%、5.89%、7.63%、3.69%、2.36%、1.43%、4.44%和4.21%。这说明低温(-20～10 ℃)下的温度差异对LFP电池和NCM电池均能造成严重的不一致，LFP电池的不一致尤为突出，其中温度差异(-20 ℃，-10 ℃)对LFP电池和NCM电池造成的相对容量差异竟高达14.58%和9.45%。常温(10～40 ℃)下的温度差异对NCM电池造成的放电容量差异较小，其中对LFP电池的一致性影响可以忽略。高温(40～60 ℃)下的温度差异对LFP电池并没有造成明显的放电容量差异，然而对NCM电池却造成了明显的放电容量差异。

2.2 短期温度差异对电池一致性的不可逆影响

锂离子电池在低温和高温下的充放电试验可能会使电池内部活性物质发生不可逆的改变[8]。为了探讨不同温度下的充放电过程是否对单体电池造成了不可逆的充放电性能差异，对不同温度下充放电试验前后的室温放电容量进行统计，如表1所示。可知，在-20、-10和0 ℃下进行充放电试验后，LFP电池的室温放电容量出现了显著的不可逆衰减，分别衰减了6.44%、4.00%和2.17%；在10～60 ℃下进行充放电试验后，LFP电池没有表现出明显的不可逆容量衰减。在-20和-10 ℃下进行充放电试验后，NCM电池的室温放电容量出现了轻微的不可逆衰减，分别衰减了0.57%和0.50%；在0～60 ℃下进行充放电试验后，NCM电池没有产生明显的不可逆容量衰减。因此，短时间的低温下温度差异会使电池产生不可逆的不一致性；而短时间的常温及高温下温度差异几乎不会使电池产生不可逆的不一致性。

表1 目标温度前后的室温放电容量统计表

2.3 长期温度差异对电池一致性的不可逆影响

以上的试验结果显示短时间的常温及高温下温度差异几乎不会对LFP电池和NCM电池造成不可逆的不一致性，但是锂离子在高温性下的充放电循环性能通常要比常温下差，性能衰减速率会更快[9-10]。因此，为了验证长时间的常温及高温下温度差异是否会使电池产生明显的不一致，分别对LFP电池和NCM电池在20、40和60 ℃下进行1C恒电流充放电循环试验，充电工步与放电工步之间需静置至单体温度达到目标温度，试验结果如图2所示。LFP电池在20和40 ℃下经过120圈充放电循环试验后，容量保持率分别为100.10%和99.97%，相对容量差异仅为0.13%；而在60 ℃下经过120圈充放电循环后容量保持率降为97.35%，容量差异明显增大。而NCM电池在20、40和60 ℃下经过120圈充放电循环后，容量保持率分别为99.95%、97.43%和94.78%，单体电池间不一致性显著增强。