充電倍率對高功率型磷酸鐵鋰動力電池循環壽命影響的研究

劉仕強，卜祥軍,白廣利,陳立鐸,閆曉曉,王 芳

(1.中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300；2.天津大學 化學工程和技術學院， 天津 300192)

針對充電倍率對動力電池的影響，國內外學者開展了相應的研究和驗證。其中，Jun Li等[4]以鈷酸鋰18650電池為對象，研究了脈沖充電與傳統直流充電的差異，發現脈沖充電可以降低充電時間，延長電池壽命，有效維持正極的穩定和延緩負極SEI膜厚度的增長。Sheng Shui Zhang等[5]以18650電池為對象，研究了恒流、恒功率、多階段恒流等3種充電方式對電池壽命的影響，研究結果顯示：快速充電會加速電池容量的衰減。L.Somerville等[6]以18650電池為樣品開展了不通倍率充電的試驗研究，研究結果表明：提高充電倍率會加速電池內阻增長和容量衰減，對于0.7C～4C倍率充電的樣品，其性能衰減主要源自界面膜的厚度，但是對于6C充電的樣品，其界面膜的組分發生變化，成為樣品快速衰減的主要原因。

本文以不同充電倍率對功率型磷酸鐵鋰動力電池循環壽命的影響為研究主題，通過開展不同充電倍率的壽命試驗，驗證在不同的充電電流下試驗樣品性能的衰減規律及壽命與充電倍率的關聯關系[7-10]。

1 試驗

1.1 試驗樣品

本文采用的研究對象為美國A123的高功率型26650磷酸鐵鋰體系動力電池，其詳細參數如表1所示。

表1 試驗樣品詳細參數

項目參數C/3額定容量/Ah2.5C/3額定能量/Wh8.25 50%SOC 10 s放電峰值功率/(W·kg-1)2 600最高電壓/V3.6最低電壓/V2.0充電溫度/℃-30～55放電溫度/℃-30～55最大持續充電電流/A15最大持續放電電流/A15最大脈沖放電電流/A120直徑/mm26長度/mm65體積/cm334.5 質量/g76

1.2 試驗平臺

試驗平臺由單體充放電設備(美國必測 MCV 12-5-100及數據采集系統)、高低溫恒溫箱(巨孚ETH-1000)、數據記錄儀(日本HIOKI MR8875-30)、被測樣品及上位機構成，見圖1。

圖1 試驗平臺監控系統示意圖

在試驗中，上位機控制充放電設備對試驗樣品進行充放電試驗，恒溫恒濕箱提供高低溫環境，數據記錄儀監控試驗樣品的電壓、電流和溫度等詳細參數。

在試驗過程中，將電池樣品放置在30 ℃恒溫環境內，避免由于環境溫度變化對測試結果產生影響。通過上位機軟件控制充放電設備完成壽命及性能測試，借助充放電設備及數據記錄儀實現數據的記錄和存儲。

1.3 試驗過程和方法

本文參考GB/T 31484—2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》[7]開展壽命測試和放電功率密度測試。具體測試內容如表2所示。

號一模一樣，再借著路燈燈光一看，不僅車牌號被套了去，連車型和顏色都和他的車一模一樣。馮一余大聲喊了起來，這是誰的車？誰套用我的車牌！半夜里，街上一個行人也沒有，馮一余再上前細看時，車窗搖了下來，一個男人探出腦袋說，嘿，我找到停車的地方了。馮一余一看，竟是他自己，頓時失聲大喊起來，不可能，不可能，這不是你的地盤。

1.4 放電內阻和功率測算方法

在開展5 s放電功率密度測試時，樣品電壓變化曲線如圖2所示。當加載電流的瞬間，電池端電壓會瞬間下降，然后電壓會緩慢下降。試驗中數據采集的時間間隔為0.1 s，主要獲取表征動力電池歐姆內阻的0.1 s放電直流內阻和5 s放電直流內阻，并參考FreedomCAR的《功率輔助型混合動力汽車用動力電池測試手冊》[8]，計算5 s可用放電功率。

(1)

(2)

(3)

Pinstant=UC·I

(4)

表2 試驗過程及方法

試驗描述重復次數性能測試① 在30 ℃下,12只電芯進行性能 測試。 測定1C恒流放電容量; 1C充電至3.6 V,然后恒壓至電流 減小為125 mA; 靜置30 min; 以1C恒流放電至2.0 V; 靜置30 min。② 2.5 s功率密度測試 充滿電后靜置30 min; 以1C放電1 800 s; 以45 A脈沖放電5 s; 以1C恒流放電至2.0 V。1壽命測試在30 ℃下,將12只電芯分成4組(每組3只),按照以下流程開展試驗:① 以不同倍率(1C、2C、4C、6C)快速 充電至3.6 V,然后恒壓至125 mA;② 靜置30 min;③ 以1C恒流放電至2.0 V;④ 靜置30 min;⑤ 重復步驟①～④共100次。10性能測試壽命試驗中,每隔100次開展性能測試,包括:① 1C恒流放電容量;② 5 s功率密度。10

圖2 5 s放電功率密度測試示意圖

2 結果與分析

按照表2中規定的試驗方法和順序開展不同充電倍率的壽命試驗和性能測試，獲取了試驗樣品在不同循環次數下的放電容量、放電直流內阻、放電功率等表征參數。

2.1 放電直流內阻

通常情況下，在對電池施加電流的瞬間產生的電壓降認定是歐姆內阻引起的。因此，在此次研究中，課題組將0.1 s時的電壓降計算得到的內阻定義為歐姆內阻。圖3為不同充電倍率下樣品的歐姆內阻隨循環次數的變化曲線。

圖3 不同充電倍率歐姆內阻變化曲線

從圖3中可以看出:隨著倍率的增加，歐姆內阻的變化呈現不同的規律。在1C倍率下，內阻變化基本呈線性增長的趨勢。當充電倍率大于2C時，內阻變化的趨勢發生變化，由線性衰減變成非線性，并且隨著循環次數的增加，增長速度變大。不同倍率下，拐點的位置也不相同。從圖3中還可以看出：2C的拐點在1 000次，4C的拐點在800次，6C的拐點在400次。從拐點位置看，隨著充電倍率的增大，拐點出現得越來越早，說明動力電池在大倍率充電時性能衰減速度加快。

根據式(2)，課題組同時對樣品的5 s放電直流內阻進行了測算，詳見圖4。

圖4 不同充電倍率5 s放電直流內阻變化曲線

從圖4中可以看出：5 s放電直流內阻的變化趨勢與歐姆內阻的趨勢基本一致。不同充電倍率導致內阻增長率呈現不同的規律。在1C充電倍率下，樣品的5 s放電直流內阻變化較小，呈小幅上升趨勢。在充電倍率高于2C時，變化較大，呈現先線性增長、后加速增長的相同趨勢。并且拐點位置基本與歐姆內阻保持一致。

2.2 放電功率

動力電池的放電功率是其重要表征參數之一。課題組根據式(3)和式(4)分別測算了樣品的5 s脈沖放電的瞬態功率和可用功率，如圖5、6所示。

圖5 不同充電倍率5 s放電瞬態功率變化曲線

圖6 不同充電倍率5 s放電可用功率變化曲線

從圖5、6中可以看出：無論瞬態放電功率還是可用放電功率均隨著循環次數的增加不斷衰減，但是在不同的充電倍率條件下，衰減規律和衰減速率有明顯差異，說明充電倍率的差異影響了樣品放電功率的變化。在1C倍率條件下，樣品的瞬態放電功率和可用放電功率衰減較小，基本保持不變。但是當充電倍率高于2C時，樣品的放電功率均呈現了明顯的衰減，并且在衰減幅度和衰減速率上，可用放電功率的衰減明顯高于瞬態放電功率。

2.3 放電容量

作為表征電池健康狀態的重要參數，放電容量通常作為健康狀態判定的關鍵指標。在壽命試驗中，每隔100次進行1C放電容量的標定測試，以此分析試驗中樣品放電容量的變化情況，結果如圖7所示。

圖7 不同充電倍率放電容量變化曲線

從圖7中可以看出：隨著循環次數的增多，樣品的放電容量均呈現衰減的趨勢，但是衰減規律受充電倍率的影響較大。在1C倍率條件下，樣品的放電容量基本呈線性衰減。但是當充電倍率高于2C時，在經過一定次數的線性衰減后，樣品放電容量呈現加速衰減的趨勢。而且不同充電倍率條件下，衰減速率和衰減幅值有明顯差異，充電倍率越高，衰減越快，線性轉成非線性的拐點出現得越早。

針對放電容量的衰減曲線，本課題組進行了二次多項式擬合，具體擬合結果如表3所示。

表3 不同充電倍率放電容量擬合結果匯總

擬合公式:y=a+b·x+c·x2參數abcR21C-0.000 465-3.038 86E-5-2.002 54E-80.986 822C-0.007 404.205 22E-5-1.178 05E-70.952 814C-0.007 639.961 55E-5-3.406 3E-70.975 026C-0.003 869.706 26E-5-6.175 88E-70.985 89

從表3中可以看出，擬合結果的R2較高，說明擬合結果的吻合度較高。進一步對各系數進行分析后發現，影響衰減率的系數與放電倍率之間存在一定的關系，如圖8、9所示。

圖8 擬合系數b與充電倍率的對應關系

圖9 擬合系數c與充電倍率的關系

從圖8中可以看出：擬合系數b隨著充電倍率的增大而變大，當充電倍率高于4C后，基本保持不變。而在圖9中，系數c的絕對值隨著充電倍率呈嚴格的線性關系。課題組對系數進行線性擬合后的結果如表4所示。

表4 放電容量衰減公式中系數再擬合結果

根據表3、4的擬合結果，推導該樣品在不同充電倍率條件下的放電容量衰減模型：

1) 充電倍率(1C～4C)

y=a+(ab+bb·N)·x+

(ac+bc·N)·x2

(5)

2) 充電倍率(>4C)

y=a+C·x+(ac+bc·N)·x2

(6)

其中：N為充電倍率；x為循環次數。式(6)中的C為定常數。

3 結論

本文以高功率型26650磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，通過開展不同充電倍率的循環壽命試驗，驗證了充電倍率與動力電池性能衰減和壽命變化的關聯關系。通過測算分析放電直流內阻、放電功率和放電容量等關鍵表征參數，建立該樣品在不同充電倍率下的循環壽命模型，研究結果表明：

1) 樣品的歐姆內阻和5 s放電直流內阻隨著循環次數的增多不斷增大，充電倍率會影響放電直流內阻的變化規律。在1C倍率下，放電直流內阻變化較小；當倍率大于2C時，內阻的變化呈先線性后加速的趨勢，并且隨著充電倍率的增大，對應的拐點出現的時間更早。

2) 樣品的5 s瞬態放電功率和可用放電功率呈現基本一致的衰減趨勢，隨著循環次數的增多，放電功率不斷衰減。充電倍率對放電功率的衰減速率和衰減幅值均產生影響。

3) 樣品1C放電容量隨循環次數的衰減規律呈明顯的二次多項式的趨勢，符合式y=a+b·x+c·x2。課題組通過對各系數進行研究和分析，得到了不同充電倍率下樣品的放電容量變化模型，如式(5)(6)所示。

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