鋰離子電池與超級電容器復合的低溫起動性能

曹云鶴,王 暢,呂樹鐸,王建勇

(貴州梅嶺電源有限公司,特種化學電源全國重點實驗室,貴州 遵義 563003)

在低溫下快速可靠的起動,能提高發(fā)動機工作可靠性、減少磨損[1]。鉛酸電池的性能受環(huán)境的影響較大,一般溫度每降低1 ℃,電池容量下降1%～2%,電解液黏度加倍,導致很難滲入極板內層,因此鉛酸電池的低溫放電倍率低,充電接受能力變差,實際輸出容量減小[2]。低溫下車輛的潤滑油黏度明顯增大,會使得發(fā)動機曲軸轉動阻力矩增大,車輛電起動時的電流增大,鉛酸電池的瞬間大電流放電能力不能充分發(fā)揮,導致車輛起動困難。開發(fā)具有更高比功率和比能量、低溫放電性能優(yōu)異的起動電池,很有現實意義。

基于低溫鋰離子電池或超級電容器設計的起動電源,可解決高功率、長壽命起動電源的應用需求。有研究者制備的低溫型18650 三元正極材料鋰離子電池,可在-40～-20 ℃工作,但在-40 ℃下無法瞬時大功率放電[1]。程廣玉等[3]研制的兼具低溫放電、高功率輸出及高比能量等特點的軟包裝鋰離子電池,可在-40 ℃下,以5C(25 A)倍率在2.2～4.2 V 放電,但作為起動電池,低溫放電倍率還有待提升。

當環(huán)境溫度低于0 ℃且起動速度一定時,環(huán)境溫度每降低5 ℃,起動阻力矩增加2.5 N·m[4]。為提升車輛低溫下的起動效率,起動電源的輸出功率需足夠高,要求電源不僅具有瞬時大電流放電能力,壓降還要足夠小。

本文作者將磷酸鐵鋰鋰離子電池組與超級電容器并聯成為復合電源,分別測試磷酸鐵鋰鋰離子電池組與復合電源低溫條件下的起動性能,研究復合電源中超級電容器對磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電能力的影響。

1 實驗

實驗要求在-40 ℃環(huán)境下擱置24 h,取出后能夠在常溫(20 ℃)下1 min 內連接電路,以180 A 放電2 s,擱置13 s,循環(huán)放電10 次,電壓不低于13 V。實驗方案有2 種:方案①,使用低溫靜置后的磷酸鐵鋰鋰離子電池組連接負載,模擬放電;方案②,將預充后的超級電容器模組與磷酸鐵鋰鋰離子電池組并聯成復合電源,低溫靜置后連接負載,模擬放電。

1.1 磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電實驗

將8 只容量為20 Ah 的D0E8139 磷酸鐵鋰鋰離子電池單體(湖南產)串聯成電壓為29.2 V 的磷酸鐵鋰鋰離子電池組。將鋰離子電池組充滿電后,在低溫箱中、-40 ℃下放置24 h,取出后,用羊毛氈包裹保溫,連接負載后循環(huán)放電10次。放電過程中,采用T700 型無紙記錄儀(深圳產)監(jiān)測鋰離子電池組的溫度。

1.2 復合電源低溫放電實驗

將12 只電壓為2.7 V、容量為350 F 的SC0350-300-RSS超級電容器(深圳產)串聯成電壓為29.7 V 的超級電容器模組。將預充至29.7 V 的超級電容器模組與滿電態(tài)的磷酸鐵鋰鋰離子電池組并聯,后續(xù)步驟同鋰離子電池組。放電測試中,采用319 鉗形表(上海產)測量超級電容器模組正極電流,采用T700 型無紙記錄儀監(jiān)測復合電源溫度。

2 結果與討論

2.1 磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電結果分析

利用磷酸鐵鋰鋰離子電池組連接負載模擬低溫起動,放電電流、電壓見圖1。

圖1 磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電的電流、電壓曲線Fig.1 Current and voltage curves of low-temperature discharge of lithium iron phosphate Li-ion battery pack

從圖1 可知,經過-40 ℃低溫24 h 靜置后,首次180 A放電對電壓沖擊較大,磷酸鐵鋰鋰離子電池組的電壓從29.20 V 降為12.89 V,電壓低于13 V,不能正常起動車輛。低溫下電池的電導率下降,化學反應速率下降,固體電極和電解液中的Li+擴散減慢,引起濃差極化,多種因素共同作用導致電池阻抗變大,阻抗分壓變大,電池組端電壓降低。阻抗主要包含歐姆內阻(RO)、固體電解質相界面(SEI)膜內阻(RSEI)和電荷遷移內阻(RCT)。低溫下,RO和RSEI變化不大,但RCT隨溫度下降而大幅上升,在-40 ℃時阻抗明顯增大,RCT對阻抗增加占主導作用。溫度越低,阻抗越大,極化和不可逆生熱等副反應加劇,電池組放電倍率性能越差。

磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電的溫度曲線見圖2。

圖2 磷酸鐵鋰鋰離子電池組低溫放電的溫度曲線Fig.2 Temperature curve of low-temperature discharge of lithium iron phosphate Li-ion battery pack

從圖2 可知,首次放電,磷酸鐵鋰鋰離子電池組的溫度由-38.31 ℃升至-12.07 ℃,繼續(xù)循環(huán)放電,電池組的溫度由-12.07 ℃回升至-3.19 ℃。首次放電溫升明顯,后續(xù)循環(huán)放電中溫升趨緩的原因是:首次放電時,電池組溫度低,阻抗較大,大電流放電時產熱量大,導致電池組溫度升高明顯;隨著溫度升高,RCT降低,電池組產生的熱量減少,溫升趨緩。

2.2 復合電源低溫放電結果分析

復合電源在相同條件下測試的放電電壓、電流見圖3。

圖3 復合電源低溫放電的電流、電壓曲線Fig.3 Current and voltage curves of low-temperature discharge of composite power

從圖3 可知,經過-40 ℃低溫24 h 靜置后,首次放電復合電源端電壓由28.34 V 降為17.39 V,可正常起動車輛。

復合電源中超級電容器模組的放電電流曲線見圖4。

圖4 復合電源中超級電容器低溫放電的電流曲線Fig.4 Current curves of low-temperature discharge of supercapacitor in the composite power

從圖4 可知,復合電源中超級電容器模組首次放電電流為127 A,相應復合電源中磷酸鐵鋰鋰離子電池組放電電流為53 A,放電倍率為2.65C;而磷酸鐵鋰鋰離子電池組單獨以180 A 放電,放電倍率為9.00C,放電倍率遠高于復合電源中的電池,使得復合電源的首次放電電壓相較于磷酸鐵鋰鋰離子電池組提升34.9%。

復合電源低溫放電的溫度曲線見圖5。

圖5 復合電源低溫放電的溫度曲線Fig.5 Temperature curve of low-temperature discharge of composite power

從圖5 可知,由于磷酸鐵鋰鋰離子電池組放電倍率降低,復合電源的溫升趨勢較為平緩,首次放電從-37.92℃升高至-33.96 ℃,僅上升3.96 ℃;超級電容器模組具備低溫大電流放電性能,放電產生的熱量可以忽略。

磷酸鐵鋰鋰離子電池組和復合電源低溫放電的電壓對比見圖6。

圖6 磷酸鐵鋰鋰離子電池組和復合電源低溫放電電壓對比Fig.6 Comparison of low-temperature discharge voltage between lithium iron phosphate Li-ion battery pack and composite power

從圖6 可知,復合電源低溫放電電壓整體高于磷酸鐵鋰鋰離子電池組,隨著放電次數增加,二者的低溫放電電壓逐漸接近。在低溫條件下,磷酸鐵鋰鋰離子電池組的化學反應勢壘比較高,并聯超級電容器模組后,利用超級電容器良好的功率性能,為化學反應越過相應勢壘提供了緩沖的時間;隨著放電次數增加,復合電源與磷酸鐵鋰鋰離子電池組溫度升高,化學反應勢壘已不是阻礙化學反應的主要因素,并聯的超級電容器模組對電池組電壓的影響減小。

3 結論

本文作者將磷酸鐵鋰鋰離子電池組與超級電容器模組并聯為復合電源,并與磷酸鐵鋰鋰離子電池組進行-40 ℃低溫180 A 放電對比,發(fā)現復合電源低溫放電電壓明顯高于鋰離子電池組。超級電容器放電電流最大達127 A,使得鋰離子電池組的放電倍率由9.00C降為2.65C,解決了低溫放電壓降大的問題,保障了起動可靠性。復合電源作為寒冷地區(qū)的起動電源,后續(xù)可通過管理系統(tǒng)或其他輔助手段的研究,予以性能調節(jié),進一步提升其可靠性、安全性。