磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組循環(huán)后的一致性研究

王 蓓，李 楊，張 娜

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組循環(huán)后的一致性研究

王 蓓，李 楊，張 娜

(天津力神電池股份有限公司，天津300384)

將20支鋰離子動(dòng)力電池組成兩個(gè)十串的模塊，分別進(jìn)行1C的常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)，對(duì)循環(huán)后的單體電池進(jìn)行一致性分析，并根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)電池的分選配組以及電池管理系統(tǒng)提出相應(yīng)的建議，希望以此來(lái)延長(zhǎng)電池組的使用壽命。

鋰離子動(dòng)力電池組；常規(guī)循環(huán)；工況循環(huán)；一致性

隨著霧霾天數(shù)的逐漸增加，新能源行業(yè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注，而鋰離子動(dòng)力電池組作為其中的一個(gè)重要組成部分，其研究的程度也在逐漸升溫。在現(xiàn)有的技術(shù)水平和使用條件下，新能源汽車(chē)必須使用成百上千的單體電池所組成的電池組來(lái)滿足其正常行駛的需求[1]。在汽車(chē)正常行駛的過(guò)程中，會(huì)經(jīng)歷各種路況、天氣、溫濕度的考驗(yàn)，這對(duì)電池的一致性將是一個(gè)很大的考驗(yàn)。本文通過(guò)對(duì)自組裝的小模塊進(jìn)行常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)后的一致性分析后提出相應(yīng)的建議，希望能提高電池組的使用壽命，進(jìn)而提升電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文所用的電池均為本公司所制造的7 Ah的高功率型鋰離子動(dòng)力電池，正極材料為磷酸鐵鋰，負(fù)極為碳材料，充放電電壓范圍為3.65～2.0 V，恒流恒壓充電模式。用動(dòng)態(tài)分選的方法[2]選出20支一致性較好的電池，分別組成兩個(gè)十串的小模塊進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，充放電電壓為20～36.5 V，并設(shè)置單體電池的電壓高于3.8 V或低于2.0 V時(shí)報(bào)警。測(cè)試流程分別為1C常規(guī)循環(huán)測(cè)試和工況循環(huán)測(cè)試[3]，工況測(cè)試流程如圖1、圖2所示。

圖1 HEV轎車(chē)用電池組放電工況

圖2 HEV轎車(chē)用電池組充電工況

測(cè)試時(shí)電池組狀態(tài)范圍為30%～80%[4]，如圖3所示，在電池組狀態(tài)為30%SOC時(shí)進(jìn)行充電工況，進(jìn)行42次充電工況后，電池組的狀態(tài)為80%，休眠2 h后進(jìn)行放電工況，進(jìn)行42個(gè)放電工況后，電池組的狀態(tài)回到30%；以上述測(cè)試流程為1個(gè)大循環(huán)，按照時(shí)間計(jì)算，每天可進(jìn)行18個(gè)大循環(huán)，每周進(jìn)行一次全容量測(cè)試，并與常規(guī)循環(huán)的電池組進(jìn)行比較。在進(jìn)行了一段時(shí)間測(cè)試后，將兩個(gè)電池組分別拆卸進(jìn)行單體電池的全容量測(cè)試，將單體電池的荷電狀態(tài)調(diào)整一致后重新進(jìn)行測(cè)試，并與之前測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行比較。

圖3 工況循環(huán)測(cè)試流程典型SOC波動(dòng)圖

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在本次實(shí)驗(yàn)中，1C常規(guī)循環(huán)完成4 000次，電池的首次、第1 500次及第4 000次的充放電曲線如圖4所示；工況循環(huán)共進(jìn)行3 000次大循環(huán)，電池的首次、第1 500次及第3 000次的充放電曲線如圖5所示。

圖4 常規(guī)循環(huán)充放電曲線

圖5 工況循環(huán)充放電曲線

如圖4及圖5所示，在循環(huán)一段時(shí)間后，兩個(gè)模塊的充放電曲線均表現(xiàn)出放電容量低，充電時(shí)恒壓容量增加的情況，在前1 500次循環(huán)，容量衰減得比較慢，在1 500次以后，容量衰減的速度逐漸增加。將兩個(gè)模塊的單體電池拆卸下來(lái)后靜置一段時(shí)間，測(cè)量其穩(wěn)定狀態(tài)下的電壓，1C循環(huán)4 000次后、工況循環(huán)3 000次后的單體電池的電壓值如圖6所示(荷電狀態(tài)均為50%)。

從圖6中可以看出，在循環(huán)的初始階段，兩個(gè)模塊的單體電壓一致性比較好，隨著循環(huán)的進(jìn)行，一致性逐漸變差，工況循環(huán)的單體電池電壓差異表現(xiàn)得更為明顯。原因是多方面的，首先，在生產(chǎn)制造過(guò)程中，各個(gè)電池正負(fù)極的活性物質(zhì)、電解液的含量等等都會(huì)有差異，在前期并不是十分的明顯，在后期逐漸顯現(xiàn)出來(lái)；其次，在電池裝車(chē)的過(guò)程中，由于各個(gè)電池的位置不一樣，因而溫度、通風(fēng)條件、散熱情況都不一樣，在電池壽命的后期差距將逐漸拉大。

將拆卸后的電池放置一段時(shí)間后進(jìn)行單獨(dú)的充放電，重新進(jìn)行容量標(biāo)定后進(jìn)行組裝，組裝完成后繼續(xù)進(jìn)行常規(guī)循環(huán)以及工況循環(huán)的測(cè)試，各進(jìn)行了1 000次循環(huán)，均衡后的第一次充放電曲線和第1 000次循環(huán)后的充放電曲線如圖7所示，循環(huán)1 000次后仍將單體電池拆卸下來(lái)，靜置一段時(shí)間后測(cè)量其電壓(荷電狀態(tài)均為50%)，數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖6 3 000次循環(huán)后單體電壓

圖7 均衡后常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)的充放電曲線

圖8 均衡后常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)單體電壓

從均衡后的效果看，兩個(gè)模塊無(wú)論是從放電容量，還是從單體電壓的一致性上均有不同程度的提升，說(shuō)明均衡可以在一定程度上提高電池模塊的使用壽命。

3 結(jié)果與討論

通過(guò)將磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組裝成模塊進(jìn)行常規(guī)循環(huán)和工況循環(huán)的測(cè)試可知，即使單體電池的初始一致性較好，但隨著循環(huán)的進(jìn)行和深入，不一致性將逐漸表現(xiàn)出來(lái)，同時(shí)工況循環(huán)中的單體電池不一致性表現(xiàn)得更為突出。將循環(huán)一段時(shí)間后的模塊拆卸后，將其中的單體電池重新進(jìn)行均衡和容量標(biāo)定，將在一定程度上延長(zhǎng)模塊的使用壽命。在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際使用過(guò)程中，充放電的狀況遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)復(fù)雜的多，同時(shí)由于新能源汽車(chē)及其系統(tǒng)的研究尚在起步階段，后續(xù)將進(jìn)行更多的實(shí)際情況分析與理論研究。

[1]MAO Guo-long.Development and application prospects of lithiumion battery[J].China Electronic Market,2009(8):14-16.

[2]李楊，王永武，張火成，等.磷酸鐵鋰動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)SOC狀態(tài)下的分選[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2011,41(2)：332-334.

[3]趙淑紅，吳鋒，王子?xùn)|.磷酸鐵鋰動(dòng)力電池工況循環(huán)性能的研究[J].電子元件及材料，2009(11)：44-47.

[4]SHEN W X,CHAN C C,LO E W C,et al.Estimation of battery available capacity under variable discharge currents[J].Journal of Power Sources,2002,103(2)：180-187

Study on consistency of lithium-ion phosphate power battery pack after circulation

There were two modules assembled by twenty cells for for 1Cconventional cycle and operating mode cycle respectively.The consistency of each cell was analyzed,in order to extend the life of battery pack.The battery classification and the battery manage system needed to be improved according to the conclusion.

lithium-ion power battery pack;conventional circulation;operating mode cycle;consistency

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0519-02

2015-08-22

國(guó)家“863”高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(SS2012AA110301)

王蓓(1978—)，女，天津市人，碩士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力電池測(cè)試評(píng)估。

李楊，Email：heizi612@163.com