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        功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性

        2015-08-01 14:48:18王元奎魏平芬
        電源技術(shù) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:高倍率倍率環(huán)境溫度

        王元奎,魏平芬

        (1.中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部,云南昆明650118;2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室,云南昆明650118)

        功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性

        王元奎1,魏平芬2

        (1.中國船舶重工集團(tuán)公司第705研究所昆明分部,云南昆明650118;2.海軍駐昆明705研究所軍事代表室,云南昆明650118)

        放電容量和放電倍率是功率型鋰離子動力電池的重要特性指標(biāo),均與環(huán)境溫度緊密相關(guān)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,功率型鋰離子動力電池的高倍率放電容量隨溫度的降低而迅速下降,隨溫度的升高基本保持不變;低溫下的放電電壓平臺明顯下降,隨溫度的升高有所上升,低溫下的電壓變化速度大于高溫;在常溫條件下,放電容量隨倍率的升高而降低,但變化速度不如溫度引起的變化明顯。

        鋰離子電池;環(huán)境溫度;容量;倍率

        隨著科技的發(fā)展,鋰離子電池在電動汽車、水中兵器、空中武器、臨近空間等運(yùn)用場合得到了廣泛的運(yùn)用,同時(shí)對鋰離子動力電池的高倍率放電、長時(shí)間放電、極端環(huán)境溫度下放電性能提出了更高的需求。根據(jù)實(shí)際使用需求,鋰離子電池發(fā)展為能量型和功率型兩種:能量型適合于低倍率放電,功率型適合于高倍率放電。鋰離子電池的放電性能與放電倍率、環(huán)境溫度直接相關(guān)[1-5],特別是環(huán)境溫度還直接關(guān)系著電池組的使用安全性、輸出電壓特性以及電池內(nèi)阻特性[6-7],這些因素又直接影響著成組工程應(yīng)用的使用條件與使用環(huán)境。因此,對鋰離子電池在不同環(huán)境溫度下放電容量與倍率之間的關(guān)系開展實(shí)驗(yàn)研究與分析,找出工程應(yīng)用的邊界條件,對電池組使用條件的制定和成組參數(shù)的確定有較高的參考價(jià)值。本文對功率型鋰離子動力電池的高低溫容量特性進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn),并對獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與研究,最后給出了相關(guān)結(jié)論。

        1 實(shí)驗(yàn)對象

        實(shí)驗(yàn)對象為型號15DR(標(biāo)稱3.7 V/15.2 Ah)的功率型鋰離子動力電池(廈門產(chǎn)),正極為三元(鎳鈷錳)材料體系,單體電芯容量為17.6 Ah(1倍率放電至截止電壓3.0 V)。在常溫下以0.5恒流充電至4.20 V,4.20 V恒壓至0.05結(jié)束充電,代表性的充電曲線如圖1所示。采用電子負(fù)載和高低溫實(shí)驗(yàn)箱,完成充電后,在對應(yīng)測試環(huán)境溫度下擱置2 h后進(jìn)行倍率放電容量測試,分別進(jìn)行不同環(huán)境溫度下高倍率放電容量、室溫環(huán)境下不同倍率放電容量的測試。

        圖1 單體電池充電曲線

        2 高低溫特性

        2.1 常溫特性

        圖2 常溫倍率放電容量特性曲線

        放電過程中對電池的極耳、電池主體進(jìn)行溫升監(jiān)測,電池主體的溫升明顯高于極耳。圖3為常溫倍率放電電池主體溫升曲線,隨著放電倍率的升高,電池主體溫升速率變大,20放電最高溫度為75℃,出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。

        圖3 常溫倍率放電溫升曲線

        2.2 低溫特性

        圖4 低溫倍率放電容量特性曲線

        圖5為低溫倍率放電電池主體溫度變化曲線,隨著環(huán)境溫度的降低,電池主體溫升速率變大,最高溫度同樣出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。主要是由于在低溫下,電導(dǎo)率相對常溫時(shí)變低,電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速率變慢,電極的反應(yīng)活性降低,Li+的擴(kuò)散速率下降,電池內(nèi)部阻抗增大,導(dǎo)致電極的嵌脫鋰能力降低,從而造成放電電壓平臺降低,放電容量隨著溫度降低而急劇下降。

        圖5 低溫倍率放電溫升曲線

        2.3 高溫特性

        圖6 高溫倍率放電容量特性曲線

        圖7為高溫倍率放電電池主體溫度變化曲線,隨著環(huán)境溫度的升高,電池主體溫升速率變小,最高溫度同樣出現(xiàn)在放電結(jié)束后的擱置期。

        圖7 高溫倍率放電溫升曲線

        3 結(jié)論

        本文通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出了功率型鋰離子動力電池的高倍率放電容量、放電電壓與溫度之間的關(guān)系,分析放電容量特性曲線、溫升曲線可以得出以下結(jié)論:

        (2)環(huán)境溫度對鋰離子電池的高倍率放電容量影響很大,低溫時(shí)放電容量迅速衰減,高溫時(shí)放電容量基本不變;

        (3)環(huán)境溫度是影響鋰離子電池高倍率放電平臺電壓的關(guān)鍵因素,低溫時(shí)放電平臺電壓下降明顯,高溫時(shí)放電平臺電壓有所上升,但其變化速度小于低溫時(shí);

        (4)電池成組運(yùn)用時(shí),需要充分考慮使用環(huán)境條件,根據(jù)使用環(huán)境溫度下的放電平臺電壓確定成組參數(shù)。

        環(huán)境溫度是影響功率型鋰離子動力電池高倍率放電的關(guān)鍵,同時(shí)也是鋰離子電池工程運(yùn)用的瓶頸技術(shù)之一,制約著鋰離子電池在極端環(huán)境溫度條件下的使用。這些結(jié)論明確了功率型鋰離子動力電池高倍率放電時(shí)的高低溫特性,對于電池工程運(yùn)用成組設(shè)計(jì)及熱管理具有重要意義。

        [1]李哲,韓雪冰,盧蘭光,等.動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011(18):115-120.

        [2]桂長青.溫度對LiFePO4鋰離子動力電池的影響[J].電池,2011 (2):88-91.

        [3]趙鴻飛,鄧爽,汝坤林,等.高低溫對磷酸鐵鋰動力鋰離子電池性能的影響[J].電池,2012(2):88-90.

        [4]杜曉莉,鄧爽,王宏偉.錳酸鋰動力電池高低溫性能研究[J].電池工業(yè),2012(3):147-149.

        [5]史瑞祥,夏晴,楊杰,等.電動汽車用鋰離子動力電池低溫性能研究[J].客車技術(shù)與研究,2012(2):52-54.

        [6]郭宏榆,姜久春,王吉松,等.功率型鋰離子動力電池的內(nèi)阻特性[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011(5):119-123.

        [7]張志杰,李茂德.鋰離子電池內(nèi)阻變化對電池溫升影響分析[J].電源技術(shù),2010(2):128-130.

        High/low temperature capacity characteristics of power lithium-ion battery

        The characteristics of power Lithium-ion batteries were closely connected to ambient temperature,such as discharge capacity and rate.The experiments results show that the discharge capacity in high rate of power lithium-ion battery drops sharply when the temperature goes down,only slightly change appears when the temperature goes up; the discharge voltage drops sharply under low temperature,and increases with a relatively slower rate than under low temperature when the temperature goes up;with normal temperature,the discharge capacity decrease with the rise of discharge rate,and the change rate is not obvious such as the affect by temperature.

        lithium-ion battery;ambient temperature;capacity;rate

        TM 912

        A

        1002-087 X(2015)10-2079-03

        2015-03-15

        王元奎(1978—),男,云南省人,高級工程師,碩士生,主要研究方向?yàn)殡妱恿夹g(shù)。

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