凤凰网汽车佛山|不同温度下锂离子动力电池特性研究
锂离子动力电池具有较高比功率、高比能量和良好耐用性等优点 ， 成为新能源动力汽车的首选动力装置 。 但锂离子电池的欧姆阻值、极化阻值、开路电压、电池荷电状态(SOC：StateofCharge)和健康状态(SOH：StateofHealth)等参数都是环境温度的非线性函数 ， 造成电池状态精确评估的难度高、误差大 ， 甚至对整车的安全性和耐久性都产生严重影响[1-2] 。 文献[3]针对动力电池容量与环境温度的关系进行大量对比实验后认为高温条件下动力电池的容量变化不大 ， 在-20℃时电池可用容量为25℃时的80% ， 主要原因是低温条件下欧姆内阻和极化内阻显著增加 。 文献[4]基于大量的实验测试确定内部极化参数的变化规律以及影响因素 ， 阐述了极化电压的累积特性 ， 为基于端电压对SOC的精确预测奠定了基础 。 本文在对锂离子动力电池工作特性研究的基础上 ， 着重研究温度对电极浓差极化和电化学极化影响 ， 分别采用不同SOH状态下的动力电池做对比实验 ， 得到锂离子动力电池在不同温度下工作特性的变化规律 ， 为提高电池管理系统精确性和可靠性提供基础数据 。
实验测试平台
实验选用磷酸铁锂电池(3.2V ， 7.5Ah)和锰酸锂电池(3.7V ， 22Ah)为研究对象 ， 采用宁波拜特公司(BTS15005C)动力电池自动检测装置进行不同模式的加载测试 ， Zennium电化学工作站测量电池的交流阻抗谱曲线 ， 重庆威尔高低温试验箱(HL404C) ， 为动力电池提供实车运行的温度环境 。
温度对电池极化的影响
在低温条件下 ， 动力电池的性能表现差异比较大 ， 其中在-10、-20℃时 ， 磷酸铁锂电池的可用容量仅为标称容量的62.6%和57.8%；锰酸锂电池在-10℃可用容量为标称容量的83.1% ， 但是随着温度降低 ， 性能退化加快 ， 在-20℃时 ， 可用容量仅为标称容量的58.2% 。
基于上述容量分析 ， 在电池EIS的测试中 ， 设定温度范围为-10～40℃ ， 进行如下测试：
(1)在-10、0、25和40℃静置5h ， 使内部温度与环境保持一致 ， 电池处于准平衡状态；
(2)采用0.3C进行容量标定 ， 数据记录间隔1s ， 至少测量5次或前后两次容量相差＜5%；
(3)采用0.3C对电池充电 ， 充入可用容量的10%后 ， 静置1h ， 然后采用电化学工作站进行阻抗谱测试 ， 频率范围为0.1～1000Hz；
(4)重复步骤(3) ， 直到完成从SOC=0到SOC=100%的11次阻抗谱测试 。 基于上述的测试方法 ， 分别可以得到磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的电化学阻抗谱图 ， 见图1和图2 。
本文插图
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由于电池在加工过程中 ， 电极表面存在一定的粗糙度 ， 在奈奎斯特图中的半圆发生不规则形变 ， 为了提高模型的精度 ， 将一阶RC模型中电容器转换为常相位角元件 ， 模型如图3所示 。
本文插图
图中RΩ为电池的欧姆内阻；Rp为电池的极化内阻；CPE为电池发生电化学反应的常相位角元件 。 其中参数CPE-P表示常相位角元件与纯电容元件的相似度 ， 当CPE-P=1时 ， 表示该元件表现出纯电容特性 ， 当CPE-P=0.5时 ， 表示为韦伯阻抗特性；Uocv为电池的开路电压；U0为电池的端电压 。
基于最小二乘法 ， 对电池的相关参数拟合得到电池的欧姆阻值 ， 极化阻值和CPE-P在不同SOC和温度下的变化趋势 ， 其中CPE-P的变化趋势如图4和图5所示 。
本文插图
(1)随着温度的升高 ， 两款电池的欧姆阻抗和极化阻抗均减小 ， 而温度越低 ， 阻抗变化率越剧烈 。 磷酸铁锂电池极化阻值由原来-10℃下的30.4mΩ减小到40℃的0.57mΩ ， 欧姆阻值由3.75mΩ减小到2.34mΩ 。 锰酸锂电池的极化阻抗由23.1mΩ减小到0.57mΩ 。 同时在低温条件下 ， 极化阻抗比欧姆阻抗大一倍 。
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