磷酸铁锂动力电池备电工况寿命试验研究及分析

2020-04-04刘仕强马天翼林春景白广利陈立铎

储能科学与技术 2020年2期

刘仕强，王芳，马天翼，林春景，白广利，韦振，陈立铎

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津市电动汽车评价技术企业重点实验室，天津 300300）

磷酸铁锂动力电池以其长寿命、低自放电率等优点在电动汽车领域得到广泛应用[1-5]。相比于三元材料锂离子动力电池，磷酸铁锂动力电池质量比能量稍低，但是其安全性更加优越，尤其在商用车和大巴车、公交车等车型中占主导地位[6]。

随着车辆使用时间的增加，动力电池的性能逐渐劣化，当其容量衰减至初始容量的80%时，即认定其无法满足车辆领域的要求，需要从车载领域退役。然而，该使用周期的容量使用率仅占全生命周期的36%左右，若直接进入材料回收阶段，将产生极大的浪费。故政府发布了《新能源汽车废旧动力蓄电池综合利用行业规范公告管理暂行办法》[7]，要求贯彻“先利用，再回收”的原则，优先开展再利用工作。

目前行业内针对锂离子动力电池寿命的研究已经开展了深入细致的研究，对锂离子电池的循环寿命和日历寿命都有了大量的研究成果[8-9]。但是针对特殊场景的使用寿命研究偏少，ASAKURA等[10]针对备电电源场景开展了钴酸锂电池的使用寿命研究工作，发现温度和浮充电压均是影响寿命的关键因素。此外，目前的寿命研究工作更多的偏重于第一阶段的车载工况[11-16]，针对退役电池的二次利用工况使用寿命的研究偏少，SWIERCZYNSKI等[17]以2.5A·h磷酸铁锂电池开展了固定场景的日历寿命研究和验证工作，然而文中的二次再利用工况参数的选取与实际情况有差异，并且试验方案中温度和SOC影响因素的设定与实际工况有差异。

针对这一现状，本工作通过调研分析，确定基站备电工况的工况需求，并建立模拟工况，以实际车用磷酸铁锂动力电池为测试对象，就基站备电工况下的二次使用周期开展深入研究和验证工作，充分考虑实际工况中电压和温度的影响，建立以温度因素和电压因素为测试矩阵，借助温度因子开展温度梯度加速老化测试，获取样品在备电工况下的老化寿命模型。以备电工况老化寿命研究结果为基础，结合不同备电工况的需求，建立不同工况需求的指导方案。

1 试验部分

1.1 试验样品

本文选取电动汽车用磷酸铁锂动力电池为研究对象，开展样品在备电工况下的寿命验证试验，旨在研究和验证样品从车载工况退役后寿命变化情况，表1为试验样品信息。

表1 试验用样品信息Table 1 Battery cell information

1.2 试验设备

本文以美凯麟（MCT 8-100/10-05）充放电设备和巨贸仪器（ETH-1000-40-CP-AR）恒温恒湿箱构建测试平台，以恒温恒湿箱提供温度梯度环境，以单体充放电设备提供恒压状态，测试示意图如图1所示。

1.3 试验工况

本试验验证的备电工况是将动力电池作为备用电源使用，当发生断电情况时，备用电源能够及时输出电力，保证用电设备能够正常运转，其工况如图2所示。

该工况的详细过程如下：

t0～t1：电网向电池系统充电，恒流充电，系统电压升高；

t1～t2：电网向电池系统充电，恒压充电，系统电压保持不变，充电电流逐渐变小；

t2～t3：电网向电池系统持续充电，浮充阶段，系统电压保持不变；

t3～t4：电网停电，电池系统放电维持基站内设备运行，恒流放电，系统电压下降；

t4～t5：电网恢复供电，电池系统静置；

t5：电网向电池系统充电，同t0时刻。

1.4 试验流程

本试验主要包括两个主要部分：一是性能参数标定试验；二是温度和恒压充电电压双因素下单体电池工况试验。其中性能参数标定试验包括放电容量标定试验和内阻标定试验，详细流程如图3所示。

2 结果与讨论

在本试验中，不同温度相同恒压充电电压工况和不同恒压充电电压相同温度工况的试验同步开展，通过对两种影响因素的综合研究与分析，实现对磷酸铁锂动力电池备电工况寿命验证分析。

2.1 不同温度相同恒压充电电压工况

在该工况下，试验设定样品以3.5 V电压在不同温度环境下恒压充电10天，然后每隔相同时间开展性能参数标定试验，分析放电容量和直流内阻等参数的变化规律。

试验中以1/3 C（8.33 A）电流进行放电容量测定，测试结果如图4所示。

从图4中可以看出，在不同温度下，样品的放电容量保持率呈明显的线性衰减趋势，温度越高，衰减速率和幅值越大。对不同温度下样品的放电容量保持率进行线性拟合，拟合结果如表2所示。

为进一步研究温度对样品放电容量的影响，本文进一步研究了容量保持率衰减率b与温度的关系，如图5所示。

从图5中可以看出，放电容量保持率衰减率b与温度之间有较强的关联关系，对其进行拟合发现，其规律符合式（1）

式中，y0、A、R0均为常数；T为试验温度，K。

表2 不同温度下样品放电容量保持率拟合结果Table 2 Fitting results of discharge capacity retention rate at different temperatures

图5中的红色曲线为拟合曲线，从拟合结果的R2值可以看出，该拟合结果具有较高的置信度。

综合分析可得，样品在不同温度相同电压工况下的放电容量衰减规律为

式中，a、b、c、R0均为常数；t为试验时间；T为试验温度，K。

本文参考FreedomCAR的混合功率脉冲（HPPC）测试进行样品内阻参数标定试验，试验结果如图6所示。

图6是相同恒压充电电压不同温度工况下样品的放电直流内阻变化曲线。从图中可以看出，不同温度条件下样品的放电直流内阻变化趋势有明显差异。在25℃条件下，样品的直流内阻呈波动状态，试验前后无明显增长。在35℃条件下，样品的直流内阻呈增大趋势。在45℃和55℃条件下，样品的放电直流内阻呈明显的增长趋势，增长规律比较一致。

本文对数据进行非线性拟合分析，发现除25℃，其他温度条件下样品的直流内阻变化规律符合式（3）

式中，y1、A1、B1均为常数。

结合阿伦尼乌斯公式，对拟合结果进行分析，发现公式中的常数B1与温度T呈一定的线性关系。对试验结果进行深入分析后，得到放电直流内阻的衰减规律为

综合放电容量衰减规律和直流内阻衰减规律，对样品在不同温度条件下备电工况寿命进行估算，结果如表3所示。

表3 不同温度相同恒压充电电压条件下备电工况寿命估算结果汇总Table 3 Summary of life estimation results of backup applications under different temperature

从表3中可以看出，随着温度的升高，相同样品的备电工况寿命明显缩短。说明，温度对电池的老化起到了加速的作用。因此，在实际使用过程中，需要对使用环境温度进行控制，保证电池系统在合适的环境温度下工作。

2.2 相同温度不同恒压充电电压工况

在该工况下，试验设定样品在25℃环境下以不同的恒压充电电压进行恒压充电10天，然后开展性能参数标定试验，分析放电容量和直流内阻等参数的变化规律。

试验中以1/3 C（8.33 A）电流进行放电容量测定，测试结果如图7所示。

从图7中可以看出，所有工况下样品的放电容量保持率均呈现高度线性衰减趋势。在试验开始时，各工况的差异较小，随着试验的进行，工况间有一定的差异，但是明显小于不同温度的工况。对各工况下样品的放电容量保持率进行线性拟合，拟合结果如表4所示。

表4 相同温度不同恒压充电电压下样品放电容量保持率拟合结果Table 4 Fitting results of discharge capacity retention rate at different voltage

从表4中可以看出，R2值表明拟合结果与实际曲线吻合度极高。在不同的恒压充电电压条件下，样品的放电容量保持率衰减率有一定的差异，但是差别极小，明显小于不同温度对放电容量保持率的影响。

从图8中可以看出，在温度相同条件下，当充电电压不同时，样品的放电直流内阻增长呈现了不同的趋势。当充电电压为3.5 V时，样品的内阻呈波动状态，无明显增长趋势。当充电电压为3.55 V和3.6 V时，样品的内阻增长趋势基本一致，呈线性增长。当充电电压为3.65 V时，样品的内阻呈现了非线性增长的趋势，而且增长的幅值明显大于其他条件。综上，在温度相同的工况下，样品的内阻增长随着充电电压的增高呈严重趋势。

综合放电容量衰减规律和直流内阻衰减规律，对样品在相同温度条件不同恒压充电电压条件下的备电工况寿命进行估算，结果如表5所示。

表5 相同温度不同恒压充电电压条件下备电工况寿命估算结果汇总Table 5 Summary of life estimation results of backup applications under different voltage

综上所述，在相同温度条件下，样品的放电容量呈线性衰减趋势，不同充电电压对放电容量的影响较小。但是在不同充电电压条件下，样品的放电直流内阻呈现了不同的趋势，随着充电电压的变高，内阻的增长趋势发生变化，并且增长幅值变大。

在备电工况下，放电容量是备电电池系统的静态指标，决定其持续输出能力；放电直流内阻是备电电池系统的动态指标，决定其瞬态输出能力。因此，根据备电工况的主要用途，可以综合考虑使用方式。对于以稳定持续输出电能为主的工况，可以根据实际需求设定电压，并控制舒适的环境温度；对于以瞬态短时输出能力为主的工况，建议在满足需求的情况下降低充电电压。