锂离子电池低温性能研究

锂离子电池低温性能研究

0锂离子电池温度作为电动汽车的三大关键技术之一，电池技术一直是限制电动汽车快速发展的重要因素。锂离子电池对外界环境温度的变化比较敏感，一般情况下锂离子电池的最佳工作温度范围在10～25℃1实验方法1.1实验系统和仪器本文中选择NCR18650PF电池（Panasonic）为研究对象，电池的正极材料和负极材料分别为钴酸锂和石墨。实验系统包括新威（BTS7.5X）电池充放电测试系统、高低温交变恒温箱（上海苏盈试验仪器有限公司生产，型号为GDJ-250，温度控制范围为-60～150℃，控制精度为±0.1℃）和HIOKILR8410R数据采集仪等。在电池的正负极焊接电源线与充放电设备端口相连，将测试电池放入恒温箱中进行不同环境温度下的充放电实验。1.2大量的热量电池内阻是表征电池性能和寿命状态的重要指标。内阻过大会导致电池工作时产生大量的热量，引起热积聚，对电池的性能和寿命产生负面影响。为了研究锂离子电池的内阻随温度、SOC(StateofCharge）状态的变化情况，基于HPPC(HybridPulsePowerCharacteristic)原理2结果与分析2.1不同环境温度与电池充电高图3为在不同环境温度下以1C的倍率对电池进行恒流恒压充电时电池电压的变化曲线。常温20℃的环境下，充电电压曲线变化比较平缓，基本呈线性变化。当环境温度降到0℃以下时，电压曲线开始呈现出非线性变化，出现了波峰波谷，环境温度越低，波峰波谷越明显。这主要与锂离子的嵌入迁出速度变缓有关。以环境温度为-10℃的电压变化曲线为例，与20℃电压变化曲线进行对比分析，在恒流充电阶段，-10℃环境下，电池的充电电压平台相比20℃明显增大，原因主要是电池在低温环境下长时间放置后，锂离子电池内部的温度基本保持在-10℃左右，电解液会发生一定程度的凝固，Li图4为1C充电倍率下有效充电容量随温度的变化情况。可以看出，随着环境温度的降低，恒流充电容量大幅度降低，恒压充电容量有所增加，但所花费的时间变长。当环境温度达到-20℃时，充电容量仅为常温充电容量的51.68%，在-25℃的环境下充电时，会瞬间达到电池的充电截止电压，无法对电池进行有效充电，将严重影响电动汽车的正常使用。在现有的电动汽车充电策略中，大部分只保留了恒流充电阶段，恒压充电阶段已基本取消，主要原因是恒压充电阶段的有效充电容量较少，而且花费的时间长，充电效率较低，所以现在电动汽车一般所采取的充电策略为阶梯恒流充电，即先在短时间内以大电流恒流充电，当电池的温度上升之后，再以小电流进行充电，提高电池的有效充电容量。2.2放电电压变化规律图5为不同环境温度下以1C倍率对电池进行恒流放电时电池的电压变化曲线。随着环境温度的降低，电池的放电电压平台越来越低，初始压降增大，电压回升现象越来越明显，当环境温度达到-30℃时，会瞬间达到电池的放电截止电压，无法进行放电。在0℃以上时，放电电压曲线变化比较平坦，基本呈线性变化，温度低于0℃时，出现了明显的电压波谷，放电电压曲线明显畸形，原因同样与低温环境下电解液发生凝固有关。在放电初期，电池在低温环境下长时间静置，电池内部电解液发生凝固，内阻增大，Li表1为1C放电倍率下放电容量的衰减变化情况。可以看出，电池的有效放电容量随着环境温度的降低而大幅度下降，-20℃时的放电容量已经衰减了34.14%左右，-30℃时，电池已经无法进行有效放电。在电池放电的过程中，电池的温度有明显升高，电池的放电性能会有所提升，但在低温环境下放电时需保证电池的电量充足。在低于一定温度的环境下电池将无法实现放电，因此在低温环境下必须对电池采取加热措施。2.3soc状态下电池内阻测试采用直流脉冲法来测试电池的内阻。根据脉冲前后电池电压的变化，按照欧姆定律计算电池的直流内阻式中：U图6为20℃环境温度下，电池阶段性放电电压和电流的变化曲线。通过记录每个阶段下电池的电压和电流，根据式（1）即可求得该SOC状态下电池的直流内阻。图7表示在1C的放电倍率下，电池在不同环境温度下内阻随SOC的变化曲线。可以看出，电池的SOC和环境温度都对电池的内阻有很大影响，在相同的环境温度下，当SOC在0～0.4的范围内时，随着SOC的增大，内阻值逐渐减小；在0.4～1的范围内时，内阻变化波动较小，内阻值基本保持不变。这表明SOC在0～0.4范围内时，即在电池低电量的状态下，电池的能量利用率会出现一定的衰减，若长时间在此范围内工作，电池的寿命和性能将受到很大的影响。随着环境温度的降低，电池的内阻逐渐增大，此时Li3放电温度场结果分析本文通过在不同的环境温度下对锂离子电池进行充放电测试，对充放电电压、容量和内阻等参数进行分析，探究了锂离子电池在低温环境下的性能变化情况，为电池在低温环境下的热管理研究提供依据，主要的结论有：（1）锂离子电池的低温充电实验表明，随着环境温度的降低，充电电压曲线出现非线性变化，恒流充电阶段的比例减小。当环境温度低于一定程度后，对电池进行充电时电压会瞬间到达充电截止电压，无法对电池进行有效充电；（2）锂离子电池的低温放电实验表明，电池的放电性能随着温度的降低不断恶化。电池的容量大幅度下降，放电电压平台降低，温度过低时无法实现放电；（3）在低温环境下，锂电池的内阻升高，温度越低，内阻增加越明显。在放电初期，电池的内阻基本保持不变，当电池的SOC降低到0.4以下时，电池的内阻逐渐增大。综上，在低温环境下电池的