不同溫度控制模式下的鋰電池性能對(duì)比研究

汪銘磊，吳啟超，黃 瑞，2，陳芬放

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.浙江大學(xué) 能源與動(dòng)力國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，浙江 杭州 310027)

0 引言

鋰離子電池因其具有能量密度高、工作電壓平臺(tái)高、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低以及使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為車載動(dòng)力電池的優(yōu)選對(duì)象。近5年，中國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量逐年上升，從2016年的78萬(wàn)萬(wàn)只到2020年的188.5萬(wàn)萬(wàn)只，年平均增加率25%[1]。性能測(cè)試和熱管理方案是鋰離子電池的研究熱點(diǎn)。

鋰離子電池工作過程中對(duì)溫度的高敏感性決定了其需要熱管理方案的介入以更好地管理溫度。Hirano H，Tajima T等人采用液體揮發(fā)式方案進(jìn)行熱管理，作者選擇沸點(diǎn)在34 ℃的氫氟醚，電池溫升最高2.5 ℃，對(duì)照組風(fēng)冷溫升超過30 ℃[2]。Chen，Kaiwei等人采用水-乙二醇浸沒式方案進(jìn)行溫度控制，通過液體浸沒吸收電池?zé)崃浚雽?dǎo)體制冷片帶走熱量。電池的整體溫升1 ℃，對(duì)照組風(fēng)冷超過10 ℃[3]。曹磊等人采用蛇形扁管液體流動(dòng)傳熱進(jìn)行熱管理，設(shè)置初始溫度為20 ℃，電池2 C放電下最高溫升2.5 ℃[4]。不難發(fā)現(xiàn)，熱管理研究人員并沒有一個(gè)很明確的控溫指標(biāo)，僅僅針對(duì)一個(gè)較大的電池最佳性能工作溫度區(qū)間進(jìn)行控制[5-6]，或是更加關(guān)注溫度對(duì)電池一致性的影響[7]。

而電池性能探究更多的是基于環(huán)境溫度控制。S.S.Zhang，P.Keil，A.Jossen等人研究了不同充電方式對(duì)老化的影響，電池所處環(huán)境溫度固定為23 ℃[8-9]。S.Barcellona等人研究放電倍率對(duì)電池老化的影響，分析方向了在恒溫箱條件中不同放電倍率下電池的溫度變化[10]。高洋等人研究了不同充電應(yīng)力以及不同SOC區(qū)間循環(huán)下的電池循環(huán)壽命，測(cè)試環(huán)境為25 ℃的恒溫箱[11]。李哲等人在探究磷酸鐵鋰電池的基本性能時(shí)，設(shè)計(jì)了一系列單因素以及多因素耦合實(shí)驗(yàn)，因變量主要為環(huán)境溫度、充放電倍率以及充放電截止電壓[12]。

目前在電池系統(tǒng)上采取的熱管理系統(tǒng)控制能力強(qiáng)，但缺少相應(yīng)的性能數(shù)據(jù)，因?yàn)樾阅軠y(cè)試更多的是在恒溫箱等條件下測(cè)試得到。因此本文希望通過測(cè)試環(huán)境溫度控制下的電池性能和表面溫度控制下的電池性能，來(lái)反映電池在不同溫度控制方案下的性能差異，并為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在本文中，環(huán)境溫度控制通過恒溫箱實(shí)現(xiàn)，表面溫度控制通過一套自制的液冷裝置實(shí)現(xiàn)。在后文中，凡是提到表面溫度均是指在液冷裝置中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提到環(huán)境溫度均是在恒溫箱中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。恒溫箱裝置通過調(diào)節(jié)冷、熱風(fēng)流量?jī)H控制內(nèi)部環(huán)境的溫度保持恒定。液冷裝置如圖1所示，該裝置由恒溫水浴箱、制冷器、外循環(huán)水路、電池固定裝置構(gòu)成。水浴箱自帶加熱棒，制冷器為半導(dǎo)體制冷片和散熱器構(gòu)成，電池固定裝置為塑膠支架，冷卻液為水-乙二醇混合物。附加外循環(huán)水路加強(qiáng)電池表面熱傳遞過程，通過制冷器消除電池放電過程中以及水浴箱加熱產(chǎn)生的熱量。電池選用三星的N50E-21700圓柱形三元鋰離子電池，標(biāo)稱容量4900 mAh，推薦工作溫度23 ℃，允許最大放電電流2 C(9.8 A)。分別使用兩種溫度控制裝置進(jìn)行不同倍率下的電池放電溫升實(shí)驗(yàn)，放電倍率選擇分別為0.5 C、1 C、2 C，放電時(shí)間分別為2 h、1 h、0.5 h。實(shí)驗(yàn)初始溫度固定為23 ℃，電池表面溫度測(cè)量點(diǎn)為側(cè)面中心位置，溫度變化通過NI數(shù)據(jù)采集模塊測(cè)量。

兩種溫度控制方案下的電池溫升如圖2所示，在恒溫箱條件下，隨著放電倍率的增大，電池溫升陡增，在0.5 C、1 C、2 C倍率下，電池最終溫升分別為7 ℃、12.4 ℃、27.9 ℃，而液冷裝置中不同倍率下電池溫升均在0.1 ℃以內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

電池容量直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，而準(zhǔn)確的SOC估計(jì)更是人們?cè)隈{駛電動(dòng)汽車時(shí)尤為在意的點(diǎn)。電池初始容量的準(zhǔn)確性直接影響SOC估計(jì)的精確度，而電池容量又受溫度、充放電倍率等多方面的影響。

本文在恒溫箱以及恒溫水浴箱這兩種實(shí)驗(yàn)裝置中分別進(jìn)行環(huán)境溫度控制和表面溫度控制下的電池容量特性實(shí)驗(yàn)。后文統(tǒng)一使用surface temperature control consistent STCC指代表面溫度控制；使用environment temperature control consistent ETCC指代環(huán)境溫度控制。本次試驗(yàn)，電池充電條件均是在23 ℃恒溫箱內(nèi)擱置半小時(shí)后，通過恒流(2.45 A)恒壓(4.2 V)模式進(jìn)行充電，當(dāng)恒壓階段電流下降至0.098 A時(shí)停止充電。實(shí)驗(yàn)變量為溫度與放電倍率，溫度調(diào)節(jié)范圍為10 ℃、20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃，倍率調(diào)節(jié)范圍為0.5 C、1 C、2 C。分別將充滿電的電池置于兩套裝置中靜置一個(gè)小時(shí)使得電池?zé)崞胶?，之后進(jìn)行不同溫度以及不同倍率下的電池性能測(cè)試。性能測(cè)試主要為1 C倍率下的標(biāo)準(zhǔn)容量測(cè)試以及不同倍率下的放電容量測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)放電容量對(duì)比

鋰離子電池的工作溫度區(qū)間為-20～60 ℃，適宜工作溫度區(qū)間為20～45 ℃。但在不同溫度下，兩套裝置中鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)放電容量存在很大差異。圖3為兩種溫度控制方案下電池容量與溫度的關(guān)系結(jié)果圖。在恒溫箱測(cè)試中，電池在10 ℃和50 ℃下容量相差200 mAh，接近5%；而在水浴裝置中，10 ℃和50 ℃下的容量相差500 mAh，接近10%。圖4是兩種溫度控制方案下容量變化與溫度變化的關(guān)系。ETCC的電池在10～50 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)相比STCC的電池容量分別增加了7.2%、5.0%、2.2%、1.9%、0.9%。單獨(dú)的，10 ℃下，ETCC電池放電容量比STCC電池多了300 mAh，在50 ℃下僅相差45 mAh，而ETCC電池放電容量從10 ℃上升到50 ℃僅增大230 mAh。在10～50 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，STCC電池相較于環(huán)境溫度不變的電池，其放電容量隨溫度的變化幅度更加劇烈，尤其是在區(qū)間前半段也就是溫度較低范圍內(nèi)，每上升10 ℃，容量提升近200 mAh，接近恒溫箱條件下40 ℃溫差所帶來(lái)的容量差異。

2.2 放電曲線對(duì)比

圖5和圖6為兩種溫度控制方案下不同溫度時(shí)鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)放電曲線，為了方便比較，圖7對(duì)比了10℃、30℃、50 ℃下兩種控溫方案下的放電曲線，圖8為這三種溫度下不同放電容量時(shí)的電壓差。在圖7中，相同形狀曲線代表同一溫度下不同實(shí)驗(yàn)裝置中電池的放電曲線，且實(shí)驗(yàn)裝置溫度越高，該溫度下的電池整體放電電壓平臺(tái)越高。在不同溫度下，ETCC的電池整體電壓平臺(tái)均高于STCC的電池，但溫度越高，這個(gè)差距就越小。為了更方便說明，此處定義當(dāng)前溫度下一溫度為當(dāng)前溫度上升10 ℃的溫度。在放電初期，ETCC的電池與STCC的電池電壓下降趨勢(shì)接近，但下降速度更小，且均未超出下一溫度值的STCC的電池。隨著放電的進(jìn)行，同一溫度下的兩種控溫方案電池電壓差距逐漸變大，且當(dāng)前ETCC電池電壓開始超過下一溫度的STCC的電池。從放電結(jié)束后兩種方案下曲線的分布也可以看出，ETCC的電池分布更加緊密，在溫度高于40 ℃以后幾乎保持重合，而對(duì)于STCC的電池，雖然隨著溫度升高，曲線分布也變得更加緊密，但在50 ℃下仍有較大差距。這一方面意味著在低溫度區(qū)間，環(huán)境溫度不變與表面溫度不變條件下的電池容量存在較大差異，隨著溫度升高，這個(gè)差異會(huì)逐漸減小，但仍不可忽視。另一方面，三元鋰離子電池因工作平臺(tái)電壓高，所以其能量密度也較高。而從該圖中我們不難發(fā)現(xiàn)，表面溫度不變和環(huán)境溫度不變條件下的電池放電電壓平臺(tái)存在較大差異，這一差異也會(huì)導(dǎo)致不同條件下的電池其放電能量存在較大差異，最終導(dǎo)致續(xù)駛里程的較大不同。

2.3 放電倍率影響

放電倍率的不同也會(huì)帶來(lái)鋰離子電池放電容量的變化，圖9是電池不同溫度時(shí)在兩種溫度控制方案下電池容量和放電倍率的關(guān)系圖。從圖中可以明顯發(fā)現(xiàn)，ETCC電池在不同放電倍率的作用下其容量在任一溫度下均顯著高于STCC電池，并且放電倍率越大，二者容量差異越大。2 C放電倍率下，在10 ℃下二者相差1500 mAh，且50 ℃下的STCC電池容量仍小于10 ℃下的ETCC電池容量。放電倍率對(duì)ETCC電池容量的影響相對(duì)于STCC電池更小，尤其是在溫度上升到30 ℃以后，放電容量幾乎與放電倍率無(wú)關(guān)。而對(duì)于STCC電池，放電倍率對(duì)電池容量的影響不遜色于溫度對(duì)電池容量的影響，電池容量隨放電倍率的增大而顯著降低，尤其是在30 ℃以下1 C倍率相較于2 C倍率的情況。從溫度的影響看，在兩套裝置中都是在10～30 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，容量隨溫度的上升而顯著增加，其中，STCC電池容量增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于ETCC電池容量，而在40～50 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)，ETCC電池容量基本保持不變，達(dá)到了最大值，且不同放電倍率下容量仍保持一致。而STCC電池容量仍隨溫度上升而增大，且放電倍率越小，容量越大，并且在50 ℃時(shí)電池容量仍未達(dá)到最大值。同時(shí)從50 ℃下的2 C放電容量看，STCC電池相較于ETCC電池來(lái)說仍偏小200 mAh，這說明STCC的電池，其對(duì)放電倍率的變化更加敏感，且通常認(rèn)為的20～45 ℃溫度區(qū)間并不一定是STCC下的電池最佳工作溫度區(qū)間，同時(shí)2 C倍率下的電池對(duì)低溫也更加敏感，溫度低于20 ℃時(shí)，電池容量急劇減小(出于安全考慮，本實(shí)驗(yàn)未做恒溫箱中50 ℃下的電池2 C放電實(shí)驗(yàn)) 。

3 總結(jié)

本研究中，通過液冷方案實(shí)現(xiàn)了不同溫度以及不同放電倍率下電池表面溫度的穩(wěn)定控制，并在此基礎(chǔ)上與環(huán)境溫度控制下的電池性能測(cè)試形成對(duì)比，分析兩種溫度控制方案下電池的性能差異。因電池容量受其工作溫度的影響很大，兩種方案下的容量特性呈現(xiàn)出明顯的差異，STCC電池容量隨溫度變化更明顯，且低溫下容量衰減急劇增加，1 C放電倍率下從20 ℃降到10 ℃容量衰減了4.2%，而2 C放電倍率下從20 ℃降到10 ℃容量衰減了24.2%，同樣的2 C放電倍率下，ETCC電池僅衰減了0.9%。這一方面說明了溫度對(duì)兩種控溫方案下的電池容量影響程度不一致，另一方面也說明放電倍率等其他影響因素在兩種控溫方案下對(duì)電池容量的影響規(guī)律也表現(xiàn)出很強(qiáng)的不一致性，STCC電池對(duì)外在因素的敏感性更強(qiáng)，且與環(huán)境控溫下得出的結(jié)論存在差異，如隨著放電倍率增大，ETCC電池容量在低溫區(qū)(10～20 ℃)隨之變大，在高溫區(qū)(30～50 ℃)隨之變??；而STCC電池容量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)均隨放電倍率增大而減小，且溫度越低幅度越大。