梁 奇，于春梅，王順利

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

航空鈷酸鋰電池的溫度特性研究

梁 奇，于春梅，王順利

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

溫度對鋰電池的容量和充放電特性等關鍵指標有著重要的影響，對其進行研究可以為鋰電池的實際使用和維護以及SOC估算提供依據。以航空鈷酸鋰電池為對象，通過實驗研究其容量、充放電曲線在不同環(huán)境溫度下的變化規(guī)律。結果表明：在環(huán)境溫度高于20℃時電池容量變化不明顯，但在環(huán)境溫度低于0℃時，電池容量將快速下降。在低溫環(huán)境下充電時，電池容量在平臺區(qū)時變化很大，且上升速度明顯大于在高溫環(huán)境下。在低溫環(huán)境下，特別在低于－20℃時，電池在放電過程中電壓下降速度激增。放電初期，電池電壓下降較快，進入平臺區(qū)放電速度減慢，但一旦電池電壓低于3.7 V，電壓急速下降。

鈷酸鋰電池；溫度；容量；充放電特性

Abstract:The key indicators of the capacity and charging and discharging characteristics of lithium-ion batteries were greatly effected by temperature.The study of it could provide basis for actual use,maintenance andSOCestimation.Based on the aviation cobalt acid lithium batteries for research object,the change rule of aviation cobalt acid lithium battery capacity,charge and discharge curves through the experiment under different environmental temperature was studied.The results show that capacity change of battery in the environmental temperature above 20℃was not obvious,but in the ambient temperature below－10℃,the battery capacity would decline rapidly.When the battery was charged in a low-temperature environment,the capacity of battery varied greatly in the platform region,and the rise speed was significantly higher than it in the high-temperature environment.In low temperature environment,especially less than－20℃,the battery voltage dropped speed surge in the process of discharge.Early discharge,the battery voltage dropped quickly,during the platform area discharge at a slower pace,but once the battery voltage was lower than 3.7 V,the voltage would drop rapidly.

Key words:cobalt acid lithium batteries;temperature;capacity;charge and discharge characteristics

鋰電池是當今航空航天事業(yè)中不可或缺的動力能源之一，常作為各種飛行器設備啟動、通訊、應急的備用能源，是航空航天器的重要部件。然而在正常工作中，鋰電池對環(huán)境溫度十分敏感，在電池的循環(huán)使用過程中，溫度的影響舉足輕重，卻極易被忽視。電池容量、充放電特性會隨著溫度的改變而改變，溫度偏高偏低都將嚴重影響電池的性能和使用壽命[1]。由于航空鈷酸鋰電池需要長期工作在低壓低溫等不利環(huán)境中，這必將導致鋰電池循環(huán)使用壽命縮短，嚴重會導致電池報廢或產生不可估計的損失。因此研究航空鈷酸鋰電池的溫度特性十分必要。

文獻[2]重點介紹了磷酸鐵鋰電池對溫度變化的特性，研究了溫度對磷酸鐵鋰電池特性包括容量、內阻、開路電壓在內的影響，深入剖析了磷酸鐵鋰電池各項特性隨溫度的變化規(guī)律；文獻[3-6]詳細闡述了不同溫度對鋰電池性能的影響，高溫使電池內部電化學反應加快，能量利用率更高，可輸出能量增加，即電池容量得到提高。但是若電池所處環(huán)境溫度過高，電池內部電化學反應速度將會受到抑制，從而降低鋰電池使用壽命，并可能造成爆炸事故，產生難以估計的損失。若電池長期工作在過高溫度下，也將導致電池的循環(huán)壽命顯著縮短。在低溫環(huán)境下，電池內部電解液的離子電導率明顯下降[7]，電池歐姆極化、濃差極化、電化學極化明顯增大，電池的放電平臺降低，導致電池更快達到放電截止條件，嚴重影響電池的能量利用效率，造成能量利用不充分，進而造成電能的浪費。即使在鋰離子電池允許使用的溫度范圍之內，不同的溫度范圍下，鋰電池的容量仍然存在較大差距。電池容量隨溫度的變化規(guī)律[8]將會影響電池壽命管理和荷電狀態(tài)的估算[9]。

本文將深入研究鈷酸鋰電池在不同溫度條件下，電池容量、充放電特性的變化規(guī)律，通過實驗來確定鈷酸鋰電池在不同溫度下電池容量和充放電特性的變化，為鈷酸鋰電池SOC在不同溫度下的估算提供理論依據。

1 實驗

1.1 研究對象及實驗設備

實驗的是型號為ICP45的鈷酸鋰離子電池。該電池額定容量為45 Ah，標稱電壓為3.7 V，可在－20～60℃環(huán)境溫度下放電，電池正極材料為鈷酸鋰，電池單體的部分技術參數如表1所示。電池充放設備采用ZY6911、ZY6952電源，放電設備也采用ZY8711電子負載。實驗用恒溫箱選用SETH-Z-040L低溫調濕實驗箱，以達到控制溫度的目的。

表1 ICP45電池的基本技術參數

1.2 容量測試

電池容量代表了電池作為儲能元件向外界提供能量的能力，是評估電池各項性能的重要指標之一，電池容量的計算方法如式(1)所示。

式中：Q表示電池電荷量；I表示放電電流；T表示放電時間；當電流不斷變化時，電池容量為放電電流與時間的累積。對于維護系統(tǒng)而言，由于其采樣過程是離散的，電池容量計算公式式(2)所示：

式中：ik是k時刻的放電電流，Δt為兩次采樣的時間差。

根據電池是否與直流系統(tǒng)脫離，可以將測試電池容量的方式分成離線測試和在線測試兩類。根據電池放電量的大小，可分為以下幾種方式，即全放電法、核對性容量試驗法和單個電池(標示電池)核對性容量試驗法。根據直流供電的實際情況，這兩種測試方式可以自由組合，得到離線式全容量測試、離線式核對性容量測試、在線式全容量測試以及在線式核對性容量測試等方法。

測試容量使用全放電法，這種方法能夠最直接、最可靠地檢測電池容量，是目前世界上測試電池容量最普遍的方法，這種方法的優(yōu)點是放電速率溫度可靠度高，其他估算方法都存在著一定的誤差。

1.3 實驗步驟

航空鈷酸鋰電池的容量測試采用全放電法，將電量充足的鈷酸鋰電池分別放置在不同溫度的環(huán)境下進行放電實驗，討論環(huán)境溫度的改變對電池放出容量的影響。具體步驟如下：(1)電池活化，用0.5C電流對電池進行多次循環(huán)充放電，使電池內部離子活化；(2)充電方法為：以充電倍率0.2C對電池進行恒流充電，待電池電壓達到4.15 V，此時將充電方式改為恒壓充電方式，直到充電電流下降到0.3 A為止，停止充電；(3)放電方法為：將電池在環(huán)境溫度中靜放1 h，再以放電倍率0.2C對電池進行恒流放電，直到電池電壓下降到3 V停止放電，并計算電池放出的電量；(4)改變電池SOC狀態(tài)：進行充放電實驗，記錄電池在充放電過程中的電壓值變化；(5)將同一型號的7塊鈷酸鋰電池分別置于 -20、-10、0、10、20、30、40 ℃下進行充放電實驗，步驟同上；(6)記錄實驗結果，整理實驗數據，并計算出電池放電容量如圖1所示；(7)充電完成后關閉充電電源，放電完成后關閉電子負載，清理實驗器材；(8)根據實驗數據繪制充放電過程中電池電壓在不同溫度下隨SOC的變化曲線。

圖1 電池容量隨溫度的變化

2 實驗結果與分析

2.1 環(huán)境溫度對容量變化的影響

分析圖1可知，低溫環(huán)境中，電池容量衰減速度明顯加快，而在常溫環(huán)境中，容量隨著溫度升高而有所增長，其增長速率相比低溫時較慢。－20℃時，電池內部電解液凝固，電子活性降低，離子電導率明顯下降，電池內阻上升，導致電池容量顯著降低，僅為標稱值的62%。

而在－10～40℃，隨著溫度上升，電池內部電子活性不斷升高，電化學反應加快，容量從標稱容量的78%升至107%。在電池循環(huán)充放電次數較少，即電池投入使用不久，電池還未開始老化之前，高溫環(huán)境中電池的循環(huán)穩(wěn)定性略差于常溫環(huán)境中的循環(huán)穩(wěn)定性?？梢园l(fā)現鋰電池在40℃環(huán)境溫度下放出的電量超過了電池的標稱容量，這是因為高溫時電池內部電解質黏度降低，提升了鋰離子的遷移速度，這時，放電容量不僅會超過標稱容量，而且充入的電量也會更高，這就出現了電池容量達到標稱容量的107%的情況。

事實上，溫度過高會降低電池容量，鋰電池容量由于發(fā)生了電池極化會大幅衰減，電子的轉移速度超過了鋰離子的擴散速度，進而電池正極容納的鋰離子越來越少，在環(huán)境溫度為60℃的高溫下，這種極化現象尤其嚴重，這也是導致鋰電池容量大幅衰減的根本原因。國家相關電源維護規(guī)程及蓄電池維護效果要求也有過明文規(guī)定，一旦電池組荷電容量達不到標稱容量的80%便不能再投入使用，否則容易發(fā)生危險事故，因此應盡量保證電池啟動和工作在0～40℃范圍內。

2.2 環(huán)境溫度對充放電特性的影響

通過實驗數據繪制充放電過程中電池電壓在不同溫度下隨SOC的變化曲線，圖2為充電過程中電池電壓隨溫度的變化曲線，圖3為放電過程中電池電壓隨溫度的變化曲線。

圖2 充電過程電池電壓隨溫度的變化

圖3 放電過程電池電壓隨溫度的變化

分析圖2電壓變化曲線可知，低溫環(huán)境下充電電池平臺區(qū)電壓變化大。隨著環(huán)境溫度的增加，充入相同的電荷量，電壓變化趨勢減小。當不同溫度電池處于電壓相同的情況下，環(huán)境溫度較高的電池質量比能量更大，如果電池管理系統(tǒng)不設置溫度檢測，在低溫條件下電池可能會過放或過充，而在高溫環(huán)境下充不滿電，從而影響電池使用壽命。

充電初期，采用恒流充電方式，電池吸熱，自身溫度升高，隨著充電過程的進行，電池溫升加劇，達到最高充電電壓過后轉入恒壓充電，電池電壓增長變緩。溫度越低，電池越容易達到充電截止電壓。

分析圖3中的曲線變化可知，恒流放電條件下，航空鈷酸鋰電池電壓變化大致可分為以下3個階段：(1)放電初期，電池電壓下降較快；(2)放電一定時間后，電池電壓降低變緩，進入平臺區(qū)；(3)放電末期(如圖3中荷電狀態(tài)小于0.2SOC)，電池電壓呈直線下降趨勢。

當鋰電池從充滿電壓4.2 V放電到3.7 V時，耗時很久，但一旦過了3.7 V，電池電壓就急速下降，這是由于電池有一個放電平臺，平臺區(qū)電池電量最充足。鈷酸鋰電池在放電中期，電壓下降幅度緩慢，在SOC值低于0.2范圍內繼續(xù)放電時，電池電壓急速下降，不同溫度下差距不大；電池電壓為3.8 V時，40℃環(huán)境中的電池SOC為0.6左右，而－20℃環(huán)境中的電池SOC僅為0.2左右，這意味著溫度越低，電池越容易達到放電截止條件。

將40、20℃和－10℃溫度下的電壓曲線繪制如圖4所示。充電和放電過程的電壓曲線存在差異，放電得到的電壓曲線總是略低于充電得到的曲線。這是因為電池充電到某一SOC數值開始靜置時，電壓持續(xù)降低至逐漸趨近電池的電壓真值，而放電到同一SOC數值開始靜置時，電壓持續(xù)升高至逐漸趨于電池的同一電壓真值。由于這一趨近過程相當緩慢，所需時間非常長，即使在測量電壓時電池已靜置相當長時間，放電曲線上得到的電壓依然小于充電曲線上得到的電壓。且隨著溫度降低，充放電曲線之間的差距逐漸縮小。

圖4 三種溫度下充放電過程曲線

3 結論

本文通過測驗不同溫度下航空鈷酸鋰電池荷電容量和充放電電壓曲線的變化，分析溫度與航空鈷酸鋰電池特性的關系，可得到如下結論：(1)航空鈷酸鋰電池容量變化在低溫時特別明顯，當環(huán)境溫度為－20℃時，電池荷電容量只能達到額定容量的62%，隨著溫度升高，電池容量有所上升，在40℃環(huán)境溫度下荷電容量能夠達到107%SOC。因此電池工作環(huán)境溫度盡量保證在0～40℃范圍內；(2)充放電過程中電池電壓隨著環(huán)境溫度的改變而改變，溫度越低，電池越容易達到充放電截止電壓，電池電壓相同時，溫度越低，電池SOC值越小；(3)放電曲線上得到的電壓小于充電曲線上得到的電壓，壓差來自于電池內阻。

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Study on temperature characteristics of aviation lithium cobalt oxide battery

LIANG Qi,YU Chun-mei,WANG Shun-li
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1278-03

2017-02-12

四川省科技廳重點研發(fā)項目(2017FZ0013)；四川省教育廳科研項目(17ZB0453)；綿陽市科技局科技攻關項目(15G-03-3)

梁奇(1991—），女，四川省人，碩士，主要研究方向為蓄電池狀態(tài)檢測與控制。