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电传动车辆用高功率锂离子电池性能分析研究

作者:时间:2013-04-25来源:网络收藏

动力电池作为主要能源之一,可作为发动机的辅助能源,在车辆需要输出大功率时,与发动机一起驱动车辆,同时也可独立驱动车辆行驶。因此,动力电池的性能将直接影响的性能。国家科技部公布的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》指出在“十二五”期间,国家科技计划将加大力度持续支持电动汽车科技创新。2015年中国电动汽车保有量计划达到100万,动力电池也将迎来新的发展机遇。电池具有功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低和贮藏时间长等优点,目前正逐步取代其他电池成为主要的动力电池[1-2]。对体积和动力都有较高要求,因此要求动力电池不仅具有较高的能量密度,还需具有大功率充放电的能力[3],而电池能够同时满足这两方面要求,国内外学者对电池进行了深入研究,参考文献[4]研制了一款功率密度为2 000 WKg-1的锂离子电池,并成功应用于电动汽车。为了进一步研究功率型电池的充放电性能,同时也为电池选型和电池建模提供依据,本文对某35 Ah功率型电池的充放电性能进行研究。
1 测试平台
测试平台结构如图1所示。其中HT-V5C200D200-4是广州擎天实业有限公司针对电池单体测试开发的电池充放电设备;温箱的作用是提供测试所需的环境温度,在测试过程,被测电池放置在温箱中,温度测量模块用于测量充放电过程中电池表面和极耳的温度变化,温度测量模块有16个通道,采用PT100温度传感器。温度传感器输出的电压信号经NI采集系统传送至上位机,安装在上位机的Labview软件将电压信号转换为具体的温度值并进行数据的实时保存和显示。

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2 放电特性
为研究温度对电池放电性能的影响,将电池放置在不同环境温度下,以相同的倍率进行恒流放电。电池首先以1/3C倍率进行恒流-恒压充电,充满后静置2 h,然后静置在温箱中5 h,静置结束后以某一倍率进行恒流放电,截止电压为3 V。在-40 ℃~+25 ℃范围内,分别以10 A、35 A、70 A、140 A恒流进行放电,放电曲线如图2~图5所示。

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实验结果表明:
(1)在同一放电倍率下,电池的放电电压随温度下降而降低。以10 A恒流放电为例,-40 ℃与+20 ℃相比,电池放电电压平均下降1 V,为标称电压的27%。
(2)低温大电流放电时,放电曲线呈非线性状态,出现明显的波谷波峰形状,放电电压波动大。以70 A恒流放电为例,在20 ℃和0 ℃放电时,放电曲线比较正常,没有出现波谷波峰。当环境温度降为-20 ℃时,放电曲线出现明显的波谷波峰形状,电池两端的电压从4.15 V降至3.07 V。随后,电压开始升高,最高达到3.35 V,然后开始下降。电池在低温下进行大电流放电时,由于电池温度低,电池的活性物质无法充分利用,电极极化严重,电池内阻大,因此放电初期电池的放电电压快速下降。随着放电的进行,由于电池内阻较大,在电池内部产生大量热量,使电池温度快速上升,从而使电池的活性物质部分得到激活,因此电池的放电电压开始上升。随着电池温度的上升,电池的内阻开始下降,产生的热量也随之下降。由于环境温度保持在-20 ℃不变,因此电池的温度开始下降,活性物质利用率降低,进而导致电池的放电电压下降。
3 充电特性
为研究温度对电池充电性能的影响。通过将电池放置在不同的环境温度下,以相同的倍率进行恒流-恒压充电。电池首先以1/3C倍率进行恒流放电,截止电压为3 V,放电结束后静置2 h,然后将电池静置在温箱中5 h,静置结束后以某一倍率进行恒流-恒压充电,10 A充电的截止电流为1 A,35 A、70 A电的截止电流为3 A。图6、图7、图8分别给出了10 A、35 A和70 A恒流-恒压充电曲线。

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从不同温度的充电曲线可以看出,与低温电池放电特性相比,电池的充电性能衰减更为明显。参考文献[5-7]也有相同结论:在0 ℃以下,电池已无法进行正常充电,在低温下,电池充电呈现以下两个特性:
(1)在充电电流相同的情况下,随着温度降低,恒流充电阶段,充电电压不断提高,尤其是进行大电流充电时。在0 ℃以下,已完全没有恒流充电过程,充电电流加载瞬间,电池端电压迅速升高到截止电压4.2 V,直接进入恒压充电阶段。
(2)随着温度降低,恒流充电时间和充入容量快速减少,恒压充电时间和充入容量增加,总充电容量增加,充入相同容量所用时间增加。
4 电池温度特性
4.1 恒流放电温度特性
对电池单体在自然散热条件下充放电工作时的生热特性进行研究,为后续建立电池生热模型提供数据支持。电池单体被悬挂于无强制散热的空间中,处于自然散热条件,电池充放电过程,采用16通道的温度传感器进行电池温度的测量
分别对电池进行0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率放电。首先,将电池悬至于无强制散热的环境下,温度为室温。放电前,按照第2节中的方法将电池充满后静置2 h,然后以某一倍率进行恒流放电,截止电压为3 V。图9是电池在不同倍率放电过程中,正、反两面的平均温升曲线,为了方便比较研究,在作图时都将实验中电池的起始温度调整为20 ℃。

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从图9中可以看出,随着电池放电倍率的提高,以2C放电时,电池正极耳的温度从20 ℃上升到29.6 ℃,上升了48%;以4C放电时,电池正极耳的温度从20 ℃上升到36.96 ℃,上升了84.8%;因此,在高温环境下,电池进行大倍率放电时,必须采取相应的散热措施,否则电池将因过热而导致性能衰退、寿命下降,甚至导致热失控的危险状态。
4.2 电池充电生热特性
与放电温升实验相同,将电池悬至于无强制散热的环境下,按照第3节中的方法将电池放电后静置2 h,然后分别以0.3C、0.5C、1C、2C、3C和4C倍率进行恒流-恒压充电,截止电流为3 A。图10给出了不同倍率充电过程中,电池单体表面的平均温升曲线。从图中可以看出,正、反面温度几乎相等,在恒流充电过程中,电池正、负的温度快速上升,在恒压充电阶段,电池极耳的温度开始下降,这主要是恒压充电阶段,充电电流不断下降,使得电池生热率减少。因此,在电池充电过程,恒流充电过程是电池内部热量积聚的重要阶段。

电传动车辆用高功率锂离子电池性能分析研究

常温下,功率型锂离子电池的充放电内阻低,大电流放电的稳定性好,放电效率高,具有良好的大倍率充电特性,能够满足电传动车辆的行驶需求。低温下,电池
的充放电内阻升高,相同放电倍率下,电池的放电电压和放电容量显著下降。与放电相比,电池充电性能衰减更为明显,电池恒流充电电压显著升高,充入容量显著下降。因此在实际使用中,必须有加热系统对电池进行加热,以提高电池的低温性能。与其他电池相比,功率型锂离子电池充放电温升较小,但是大电流充放电时,电池温度仍有较大提升,相同倍率下,电池充电过程的温升比放电时的温升高,因此,大电流充放电时,应对动力电池组进行散热,避免电池内部温度累积对电池造成损害。
参考文献
[1] HUANG C K,SAKAMOTO J S,WOLFENSTINE J,et al. The limits of low temperature performance of Li-ion cells[J]. Journal of The Electrochemical Society,2000,147(8):2893-2896.
[2] 刘兴江,肖成伟,余冰,等.混合动力车用锂离子蓄电池的研究进展[J].电源技术,2007,31(7):509-514.
[3] SPOTNITZ R,SCHALKWIJK W A,SCROSATI B.Advances in lithium-ion batteries[M],Kluwer Academic/Plenum Publishers,New York,2003:433.
[4] ARAI J,YAMAKI T,YAMAUCHI S,et al.Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J].Journal of Power Sources,2005(146):788-792.
[5] SMART M C,RATNAKUMAR B V,SURAMPUDI S,et al. Irreversible capacities of graphite in low-temperature electrolytes for lithium-ion batteries[J].Journal of The Electrochemical Society,1999,146(11):3963-3969.
[6] SHIAO H C,CHUA D,LIN H P,et al.Low temperature electrolytes for Li-ion PVDF cells[J].Journal of Power Sources,2000(87):167-173.
[7] ZHANG S S,XU K,JOW T R.The low temperature performance of Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2003,115(1):137-140.



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