溫度差異對電池一致性的影響

陶思成，謝鑫,，廖成龍，王盼盼，史瑞祥,

(1.深圳渝鵬新能源汽車檢測研究有限公司，廣東深圳 518118；2.重慶車輛檢測研究院有限公司，國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122)

0 引言

電動汽車動力電池系統(tǒng)通常由上百個單體電池組成，電池生產(chǎn)制造和使用過程中都會造成單體電池之間的充放電性能、電性能衰減速率等存在差異[1]。這種不一致性如果不加以遏制，會在使用過程中不斷積累，并加速動力電池系統(tǒng)整體性能的衰減[2]，且埋下嚴(yán)重的安全隱患[3]。為了提高電池系統(tǒng)內(nèi)部單體電池的一致性，不僅需要提高電池制造水平，電池管理系統(tǒng)的能量均衡、熱管理等功能也發(fā)揮著不可替代的作用[4-5]。環(huán)境溫度、電池充放電產(chǎn)熱以及熱傳遞等造成的動力電池系統(tǒng)內(nèi)部單體電池溫度差異是電池使用過程中不一致性最常見的因素之一[6]。本文作者通過對磷酸鐵鋰離子電池(LFP)和鎳鈷錳三元鋰離子電池(NCM)在不同溫度下進(jìn)行充放電試驗(yàn)，深入探討溫度差異對電池一致性的影響，為相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)和評估電池管理系統(tǒng)提供參考。

1 樣品信息及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)使用的樣品為某電池企業(yè)生產(chǎn)的LFP電池和NCM電池。 LFP電池(單體)額定容量為15 A·h，額定電壓為3.2 V。NCM電池(單體)額定容量為21 A·h，額定電壓為3.6 V。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮到常溫環(huán)境、北方冬季低溫環(huán)境和南方夏季高溫環(huán)境下動力電池系統(tǒng)內(nèi)部單體電池可能達(dá)到的溫度，選擇在-20、-10、0、10、20、30、40、50和60 ℃下進(jìn)行充放電試驗(yàn)。文中用單體電池放電容量差異來表征電池一致性。為了保證試驗(yàn)結(jié)果顯示的電池放電容量差異主要是由溫度差異造成的，降低試驗(yàn)樣品之間因生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不一致性對試驗(yàn)結(jié)果的影響[7]，文中對所有電池樣品進(jìn)行了嚴(yán)格的一致性篩選(同種型號的所有單體電池室溫放電容量極差不高于其額定容量的0.3%)。

1.3 試驗(yàn)方法

通過一致性篩選的電池樣品(空電狀態(tài))在目標(biāo)環(huán)境溫度下擱置24 h后，進(jìn)行充放電試驗(yàn)；然后再升溫至25 ℃并保持24 h，進(jìn)行室溫下的充放電試驗(yàn)。LFP電池充放電方法：先1C恒流充電至3.8 V轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05C；靜置至單體溫度達(dá)到相應(yīng)溫度后，1C恒流放電至2.0 V。NCM電池充放電方法：先1C恒流充電至4.2 V轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05C；靜置至單體溫度達(dá)到相應(yīng)溫度后，1C恒流放電至2.5 V。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度差異對電池放電容量的影響

LFP電池和NCM電池在不同溫度下的放電容量如圖1所示。LFP電池在10～60 ℃范圍內(nèi)的充放電性能比較穩(wěn)定，放電容量極差僅為0.473 A·h，為額定容量的3.15%；但其低溫性能較差，放電容量隨著溫度的降低大幅衰減。NCM電池在-20～60 ℃范圍內(nèi)的充放電性能對溫度比較敏感，在40 ℃表現(xiàn)出最高的放電容量，為21.629 A·h；放電容量極差為5.679 A·h，為額定容量的27.04%。

圖1 電池在不同溫度下的放電容量

為了更加清晰地分析溫度差異對電池一直性的影響，文中采用了相對容量差異法：不同溫度下放電容量的差值除以相應(yīng)的平均放電容量。溫度差異(-20 ℃，-10 ℃)、(-10 ℃，0 ℃)、(0 ℃，10 ℃)、(10 ℃，20 ℃)、(20 ℃，30 ℃)、(30 ℃，40 ℃)、(40 ℃，50 ℃)和(50 ℃，60 ℃)，引起的LFP電池相對容量差異分別為14.58%、14.28%、6.36%、0.17%、0.95%、0.69%、1.91%和1.24%，引起的NCM電池相對容量差異分別為9.45%、5.89%、7.63%、3.69%、2.36%、1.43%、4.44%和4.21%。這說明低溫(-20～10 ℃)下的溫度差異對LFP電池和NCM電池均能造成嚴(yán)重的不一致，LFP電池的不一致尤為突出，其中溫度差異(-20 ℃，-10 ℃)對LFP電池和NCM電池造成的相對容量差異竟高達(dá)14.58%和9.45%。常溫(10～40 ℃)下的溫度差異對NCM電池造成的放電容量差異較小，其中對LFP電池的一致性影響可以忽略。高溫(40～60 ℃)下的溫度差異對LFP電池并沒有造成明顯的放電容量差異，然而對NCM電池卻造成了明顯的放電容量差異。

2.2 短期溫度差異對電池一致性的不可逆影響

鋰離子電池在低溫和高溫下的充放電試驗(yàn)可能會使電池內(nèi)部活性物質(zhì)發(fā)生不可逆的改變[8]。為了探討不同溫度下的充放電過程是否對單體電池造成了不可逆的充放電性能差異，對不同溫度下充放電試驗(yàn)前后的室溫放電容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示。可知，在-20、-10和0 ℃下進(jìn)行充放電試驗(yàn)后，LFP電池的室溫放電容量出現(xiàn)了顯著的不可逆衰減，分別衰減了6.44%、4.00%和2.17%；在10～60 ℃下進(jìn)行充放電試驗(yàn)后，LFP電池沒有表現(xiàn)出明顯的不可逆容量衰減。在-20和-10 ℃下進(jìn)行充放電試驗(yàn)后，NCM電池的室溫放電容量出現(xiàn)了輕微的不可逆衰減，分別衰減了0.57%和0.50%；在0～60 ℃下進(jìn)行充放電試驗(yàn)后，NCM電池沒有產(chǎn)生明顯的不可逆容量衰減。因此，短時間的低溫下溫度差異會使電池產(chǎn)生不可逆的不一致性；而短時間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會使電池產(chǎn)生不可逆的不一致性。

表1 目標(biāo)溫度前后的室溫放電容量統(tǒng)計(jì)表

2.3 長期溫度差異對電池一致性的不可逆影響

以上的試驗(yàn)結(jié)果顯示短時間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會對LFP電池和NCM電池造成不可逆的不一致性，但是鋰離子在高溫性下的充放電循環(huán)性能通常要比常溫下差，性能衰減速率會更快[9-10]。因此，為了驗(yàn)證長時間的常溫及高溫下溫度差異是否會使電池產(chǎn)生明顯的不一致，分別對LFP電池和NCM電池在20、40和60 ℃下進(jìn)行1C恒電流充放電循環(huán)試驗(yàn)，充電工步與放電工步之間需靜置至單體溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。LFP電池在20和40 ℃下經(jīng)過120圈充放電循環(huán)試驗(yàn)后，容量保持率分別為100.10%和99.97%，相對容量差異僅為0.13%；而在60 ℃下經(jīng)過120圈充放電循環(huán)后容量保持率降為97.35%，容量差異明顯增大。而NCM電池在20、40和60 ℃下經(jīng)過120圈充放電循環(huán)后，容量保持率分別為99.95%、97.43%和94.78%，單體電池間不一致性顯著增強(qiáng)。

圖2 電池在不同溫度下充放電循環(huán)中的容量保持率

3 結(jié)論

通過在不同環(huán)境溫度下對LFP電池和NCM電池進(jìn)行充放電試驗(yàn)以及充放電循環(huán)試驗(yàn)，分析了溫度差異對電池一致性的影響，得出以下結(jié)論：

(1)低溫(-20～10 ℃)下的溫度差異均可以使LFP電池和NCM電池產(chǎn)生嚴(yán)重的不一致性，其中LFP電池的情況尤為突出；常溫(10～40 ℃)及高溫(40～60 ℃)下溫度差異不會使LFP電池產(chǎn)生明顯的不一致性，卻能使NCM電池產(chǎn)生顯著的不一致性。

(2)短時間的低溫下溫度差異會對LFP電池和NCM電池造成顯著的不可逆的不一致性，尤其是LFP電池；而短時間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會對LFP電池和NCM電池造成不可逆的不一致性。

(3)長時間的常溫下溫度差異不會使LFP電池產(chǎn)生明顯的不可逆的不一致性，但會使NCM電池產(chǎn)生明顯的不可逆的不一致性；長時間的高溫下溫度差異，能使LFP電池和NCM電池產(chǎn)生明顯的不一致性，其中NCM電池的情況更加嚴(yán)重。