陶思成，謝鑫,，廖成龍，王盼盼，史瑞祥,

(1.深圳渝鵬新能源汽車(chē)檢測(cè)研究有限公司，廣東深圳 518118；2.重慶車(chē)輛檢測(cè)研究院有限公司，國(guó)家客車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122)

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)通常由上百個(gè)單體電池組成，電池生產(chǎn)制造和使用過(guò)程中都會(huì)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(huì)在使用過(guò)程中不斷積累，并加速動(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部單體電池溫度差異是電池使用過(guò)程中不一致性最常見(jiàn)的因素之一[6]。本文作者通過(guò)對(duì)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(duì)電池一致性的影響，為相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)和評(píng)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(dòng)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(lái)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(guò)程中產(chǎn)生的不一致性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[7]，文中對(duì)所有電池樣品進(jìn)行了嚴(yán)格的一致性篩選(同種型號(hào)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)電池一直性的影響，文中采用了相對(duì)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(duì)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(duì)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(shuō)明低溫(-20～10 ℃)下的溫度差異對(duì)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(duì)LFP電池和NCM電池造成的相對(duì)容量差異竟高達(dá)14.58%和9.45%。常溫(10～40 ℃)下的溫度差異對(duì)NCM電池造成的放電容量差異較小，其中對(duì)LFP電池的一致性影響可以忽略。高溫(40～60 ℃)下的溫度差異對(duì)LFP電池并沒(méi)有造成明顯的放電容量差異，然而對(duì)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(duì)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(huì)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(guò)程是否對(duì)單體電池造成了不可逆的充放電性能差異，對(duì)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(méi)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(méi)有產(chǎn)生明顯的不可逆容量衰減。因此，短時(shí)間的低溫下溫度差異會(huì)使電池產(chǎn)生不可逆的不一致性；而短時(shí)間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會(huì)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(zhǎng)期溫度差異對(duì)電池一致性的不可逆影響

以上的試驗(yàn)結(jié)果顯示短時(shí)間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會(huì)對(duì)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(huì)更快[9-10]。因此，為了驗(yàn)證長(zhǎng)時(shí)間的常溫及高溫下溫度差異是否會(huì)使電池產(chǎn)生明顯的不一致，分別對(duì)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(guò)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(duì)容量差異僅為0.13%；而在60 ℃下經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)在不同環(huán)境溫度下對(duì)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(duì)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(huì)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(shí)間的低溫下溫度差異會(huì)對(duì)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(shí)間的常溫及高溫下溫度差異幾乎不會(huì)對(duì)LFP電池和NCM電池造成不可逆的不一致性。

(3)長(zhǎng)時(shí)間的常溫下溫度差異不會(huì)使LFP電池產(chǎn)生明顯的不可逆的不一致性，但會(huì)使NCM電池產(chǎn)生明顯的不可逆的不一致性；長(zhǎng)時(shí)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。