电池低温性能提升用EV保温研究

2021-09-01刘斯顺刘月学郭锋

蓄电池 2021年4期

刘斯顺，刘月学，郭锋

（浙江南都电源动力股份有限公司，浙江杭州 311305）

0 引言

目前，国内市场主要有铁锂电池、三元锂电池、锰锂电池、碳酸锂电池、钴酸锂电池等锂电池，但是无论其中哪种电池使用到北方低温环境时都需要考虑低温对电池放电性能的影响。锂电池包主要由外壳、上下盖板、接头、内支架、保护板、印刷电路板（PCB）、电池组等主要部件组成。其中，电池包是存储和释放能量的核心部件。低温环境下锂电池的充放电性能下降[1]，是对电池包性能的一种考验。

为了提高锂电池的低温放电性能，在电池包四周贴敷 EV（乙烯–醋酸乙烯共聚物）发泡材料，即 EV 保温棉[2]。EV 保温棉具有市场使用广泛、成本低、加工容易、保温隔热等优点。在充放电过程中，电池包会释放大量的热。EV 保温棉可以起到杜绝外面空气流入，使电池包释放的热量只能被隔离在内部的作用。电池包长时间处于低温环境中时，未经处理的电池包释放的热量只能给环境升温，但是所释放的热量远远提升不了环境的温度，导致电量释放过程中无法达到额定电量，甚至被保护终结，无法再放出电量。温度降低和放电倍率都是性能降低的决定性因素[3]。因此在本文中，笔者重点对采用 EV 保温棉贴敷与没有贴敷 EV 保温棉的锂电池在低温环境中的放电性能进行对比评价，探讨不同放电倍率下 EV 保温棉对放电性能的影响[4]。

1 试验

根据表 1 所示，每项测试各选取 2 个一样的48 V 16 Ah 电池包，其中一组采用 3 mm 的 EV 保温棉四周保温，而另外一组未保温。按标准 GB/T 36672—2018《电动摩托车和电动轻便摩托车用锂离子电池标准测试温度冲击》、标准 Q/ZND 011—2010《磷酸铁锂聚合物锂离子电池标准性能测试测试要求》和标准 Q/ZND 023—2020《电动自行车用磷酸铁锂电池标准测试低温放电测试》的要求进行低温放电测试。

在前 8 项测试中，让选取的 2 个电池包同时进行：a）将锂电池模块放入常温中搁置 5 h；b）以1 I1放电至任一单体锂电池放电终止电压；c）搁置30 min；d）以 1 I1充电至充电限制电压，转为恒压充电，至充电电流降至 0.05 I1时停止充电，若充电过程中任一单体电压超过充电终止电压 0.1 V 时则停止充电；e）搁置在低温环境（按表 1 规定温度）下 24 h；f）搁置完成后在低温环境下以指定倍率（见表 1）恒流放电至终止电压，记录相关数据。

第 9～12 项测试中，测试步骤a）～e）与前 8 项测试相同，但步骤f）要求，搁置完成后在低温环境下以指定倍率（见表 1）恒流放电 15 min，之后搁置 1 h，接着再以此倍率恒流放电 15 min，之后搁置 1 h，不断重复这样的操作直至终止电压，记录相关数据。

表1 放电测试数据表

从表 1 可见，带 EV 保温电池包的放电容量和保持率，无论是在-15 ℃下，还是在-20 ℃下，无论是连续放电，还是间隙放电，都远高于不带 EV保温电池包。特别是在模拟实际使用工况的-15 ℃/0.5C 间隙放电条件下，带 EV 保温的电池包放电容量为 14.44 Ah，保持率为 90.25 %，而不带 EV保温的放电容量为 10.52 Ah，保持率为 65.75 %，也就是带 EV 保温的容量保持率比不带 EV 保温的高出了 24.5 %，多放出了 3.92 Ah 电量。从终止电压看，不带 EV 保温的为 41.16 V。以上结果说明，低温放电时，由于环境温度低，电池的放电容量和端电压会严重下降，而且随着环境温度的降低，内阻不断增大[5]，最终导致不带 EV 保温电池提前中断放电。另外，带 EV 保温电池包比不带 EV 保温电池包，在以 0.5C 放电时，保持率高出 14 %～24 %，以 1C 放电时高出 8 %～10 %，以 0.5C 间隙放电时高出 24 %，以 1C 间隙放电时高出 12.5 %。

2 测试数据终止电压、容量、能量分析

从图1、图2中-15 ℃/0.5C 连续放电曲线可见，带EV保温的电池放电容量为 14.98 Ah，放电能量为 663.20 Wh，截止电压 42.29 V，而不带EV 保温的电池放电容量为 12.74 Ah，放电能量为559.66 Wh，截止电压 43.00 V。所以，二者相比之下，带 EV 保温的放电容量高出了 2.24 Ah，放电能量高出了 63.54 Wh。

图1 -15℃ 0.5C 终止电压和容量曲线

图2 -15 ℃ 0.5C 终止电压和能量曲线

从图 3、图 4 中-20 ℃/0.5C 连续放电曲线可见，带 EV 保温的电池放电容量为 15.29 Ah，放电能量为 671.95 Wh，截止电压 41.11 V，而不带EV 保温的电池放电容量为 11.98 Ah，放电能量为519.12 Wh，截止电压 43.53 V。所以，二者相比之下，带 EV 保温的放电容量高出了 3.31 Ah，放电能量高出了 152.83 Wh。

图3 -20℃ 0.5C 终止电压和容量曲线

图4 -20 ℃ 0.5C 终止电压和能量曲线

从图 5、图 6 中-15 ℃/0.5C 间隙放电曲线来看，带 EV 保温的电池放电容量为 14.44 Ah，放电能量为 622.41 Wh，截止电压 35.25 V，而不带EV 保温的电池放电容量为 10.52 Ah，放电能量为447.94 Wh，截止至电压 41.16 V。所以，带 EV 保温的电池放电容量高出了 3.92 Ah，放电能量高出了 174.47 Wh。

图5 -15℃ 0.5C 间隙终止电压和容量曲线

图6 -15 ℃ 0.5C 间隙终止电压和能量曲线

从图 7、图 8 中-15 ℃/1C 连续放电曲线可见，带 EV 保温的电池放电容量为 14.66 Ah，放电能量为 636.16 Wh，截止电压 37.99 V，而不带EV 保温的电池放电容量为 13.75 Ah，放电能量为586.25 Wh，截止电压 37.38 V。所以，带 EV 保温电池放电容量高出了 0.91 Ah，放电能量高出了49.91 Wh。

图7 -15℃ 1C 终止电压和容量曲线

图8 -15 ℃ 1C 终止电压和能量曲线

从图 9、图 10 中-20 ℃/1C 连续放电曲线可见，带 EV 保温的电池放电容量为 15.42 Ah，放电能量为 666.56 Wh，截止电压 37.87 V，而不带EV 保温的电池放电容量为 14.51 Ah，放电能量为616.77 Wh，截止电压 36.69 V。所以，带 EV 保温的电池放电容量高出了 0.91 Ah，放电能量高出了49.79 Wh。

图9 -20℃ 1C 终止电压和容量曲线

图10 -20 ℃ 1C 终止电压和能量曲线

从图 11、图 12 中-20 ℃/1C 连续放电曲线可见，带 EV 保温的电池放电容量为 15.21 Ah，放电能量为 648.64 Wh，截止电压 5 V，而不带 EV 保温的放电容量为 13.21 Ah，放电能量为 558.23 Wh，截止电压 36.72 V。所以，带 EV 保温的电池放电容量高了 2 Ah，放电能量高了 90.41 Wh。

图11 -15℃ 1C 间隙终止电压和容量曲线

图12 -15 ℃ 1C 间隙终止电压和能量曲线

根据上述试验结果来看，对于采用 EV 保温的电池包，无论在-15 ℃ 还是-20 ℃，放电容量、放电能量以及放电时间都远大于不带 EV 保温的电池包。从电压曲线来看，两种电池包的曲线基本都为抛物线形，意味着经过冷却后电池包的开始放电电压平台明显偏低，也意味着低温对电池包考验更大。从对比曲线来看，0.5C 连续放电、1C 连续放电、0.5C 间隙放电和 1C 间隙放电时 EV 保温棉起到了明显作用，表明在低温环境下采用 EV 保温棉，改变了电池包工作环境，为电池包更长行驶里程提供了条件。