动力型磷酸铁锂电池的温度特性_李哲

第47卷第18期2011年9月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.47No.18Sep.2011DOI：10.3901/JME.2011.18.115动力型磷酸铁锂电池的温度特性*李哲韩雪冰卢兰光欧阳明高(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084)摘要：动力型磷酸铁锂电池的特性与环境温度紧密相关。电池的容量特性、内阻数值和荷电状态—开路电压曲线是反映电池基本性能的重要特性指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数。主要进行不同环境温度下电池的以上各性能试验，研究在不同的环境温度下电池的容量、内阻和开路电压的变化规律。动力型磷酸铁锂电池的容量在低温下迅速降低，在高温下迅速上升，高温下的容量变化速度小于低温；随温度上升，充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降，温度不同时电池的欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率，低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率；同时，低温下的荷电状态—开路电压曲线低于高温下的曲线，但总体上，曲线受温度的影响并不显著。关键词：磷酸铁锂电池温度容量内阻开路电压中图分类号：U464TemperatureCharacteristicsofPowerLiFePO4BatteriesLIZheHANXuebingLULanguangOUYANGMinggao(StateKeyLaboratoryofAutomotiveEnergyandSafety,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract：ThecharacteristicsofpowerLiFePO4batteriesarecloselyconnectedtoambienttemperature.Thecapacitycharacteristic,resistanceandstateofcharge-opencircuitvoltage(SOC-OCV)curveareimportantparameterstorepresenttheperformanceofpowerbatteriesandtodeterminebatterymanagementsystem(BMS)design.Theexperimentsindifferentambienttemperaturesarecarriedoutandthelawsbetweentemperatureandcapacity,resistanceandOCVarestudied.Thecapacitydropssharplyunderlowtemperature,andincreaseswitharelativelyslowerratethanunderlowtemperaturewhenthetemperaturegoesup.Ohmicandpolarizationresistancesduringchargeanddischargeprocessdecreasewhenthetemperaturerises,andthechangerateofohmicresistanceishigherthanthepolarizationresistance,moreover,thechangeofohmicresistanceunderlowtemperatureismoresignificantthanunderhightemperature.Withthedecreaseoftemperature,theSOC-OCVcurvemovesdown,butgenerally,thecurveisaffectedonlyslightlybythechangeoftemperature.Keywords：PowerLiFePO4batteryAmbienttemperatureCapacityResistanceOpencircuitvoltage(OCV)0前言1电池所处的温度受到许多因素的影响，如环境温度、电池本身的热力学参数以及电池组的装配和热管理方法等[1-5]。同时，电池的容量特性、内阻数值和开路电压曲线是反映电池基本性能的重要指标，也是参与电池管理系统设计的重要参数：电池容量大小的变化规律[6]影响电池的寿命管理和荷电状态估算。电池内阻的数值影响动力电池的功率特*台达电力电子科教发展计划重点资助项目(20093000329)。20100901收到初稿，20110320收到修改稿性，如式(1)、(2)所示，同时也影响电池热管理系统对电池产热量的分析，如式(3)所示。动力电池最大电流与功率分别为minmaxtUUIR−=(1)maxminmaxPUI=(2)式中，Imax为电池的最大放电电流，U为电池的开路电压，Umin为电池的放电截止电压，Rt为电池在放电过程中的总内阻，Pmax为电池的最大放电功率。电池的产热情况与电流和电池内阻有关，如式(3)所示机械工程学报第47卷第18期期1162gtQIR=(3)式中，Qg为电池的产热率，I为流经电池的电流，Rt为电池的总内阻。而电池的开路电压(Opencircuitvoltage，OCV)曲线可以用于电池荷电状态(Stateofcharge，SOC)的校准，图1是某磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线，可以利用这一曲线用OCV的数值对SOC进行校正[7]，该校正对提高电池SOC估算的准确性有着重要意义。因此，了解以上三个电池特性在不同环境温度下的改变规律，可以更好地了解电池性能、设计管理系统[8-9]。图1某磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线1试验对象以3.2V/11A·h磷酸铁锂动力电池单体(天津产)为试验对象，采用DIGATRON牌EVT500-500-80kw-IGBT电池试验台(德国产)和某国产高低温试验箱，分别进行了不同环境温度下电池容量、电池充放电内阻和电池开路电压曲线的测试。2环境温度对电池容量的影响将充满电的电池分别置于不同的环境温度中放电，讨论放出的容量与环境温度的关系。充电方法为，将电池以1/3C恒流充电至电压到达3.65V，改为恒压充电直至电流下降到1A，停止充电。放电方法为，在环境温度中静置1h，再以1/3C恒流放电直到电压下降到2V为止，计算放出的容量。将同一型号的6块磷酸铁锂电池分别置于-40℃、−20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下进行放电过程，电池放出的容量如图2所示。图2LiFePO4锂离子电池容量随环境温度的变化可知，低温下，电池容量衰减得极快，而在常温左右，容量随着温度升高而增长，其速率相对低温下较慢。-40℃时，电池的容量仅为标称值的1/3，而在0℃到60℃，电池的容量从标称容量的80%升至110%。将电池的容量变化与温度进行拟合，得到25.06974exp(/55.90333)14.037290.99784CRθ=−×−+⎧⎪⎨=⎪⎩式中，C是电池容量，θ是温度，2R是该拟合的相关系数。3环境温度对电池内阻的影响测量电池内阻采用混合脉冲功率特性阶跃法[10]，试验步骤如下。(1)将电池放电至空。(2)静置1h，测量开路电压OCV，记录数据(OCV数据供步骤(4)中使用，下同)。(3)用1/3C(即3.67A)充电电流为电池充电，调整SOC值至0.025，在这个过程中，记录电池充电前10s中的电池电压变化，通过这些电压值和式(4)～(7)，计算得到电池在SOC值为0状态下的充电内阻，包括欧姆内阻和总内阻的数值。(4)用1/3C(即3.67A)充电电流将电池充电，调整SOC值分别至0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0附近，重复第(2)、(3)步骤，即得到不同SOC情况下电池的充电内阻和开路电压OCV。另外，在SOC较大时，尤其是在10℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，此时需要将电池的充电电流降至1/5C，以保证能够充入电量并保护电池安全。(5)完成充电电阻测量后，用1/3C(即3.67A)电流放电，分别调整电池的SOC值至0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.075、0.05、0.025、0，同(2)、(3)步骤中方法，即得到不同SOC情况下，月2011年9月李哲等：动力型磷酸铁锂电池的温度特性117电池的放电内阻和开路电压OCV。另外，在SOC较小时，尤其是在10℃这一较低温度下，电池的内阻非常大，需要将电池的放电电流降至1/5C，以保证必需的放电持续时间和电池安全。这一步骤的示意图如图3、4所示。图3电池的充电内阻测量方法示意图图4电池的放电内阻测量方法示意图电池的充电欧姆内阻coR、充电总内阻ctR、放电欧姆内阻doR和放电总内阻dtR的计算公式分别为cc21occUUURIIΔ−==Δ(4)dd54oddUUURIIΔ−==Δ(5)cc31tccUUURIIΔ−==Δ(6)64UUURII−Δ==Δddtdd(7)式中，cUΔ、dUΔ为充电和放电阶跃输入前后电池的端电压变化量，cIΔ、dIΔ为充电和放电阶跃输入前后电池流经的电流变化量，U1、U2、U3、U4、U5、U6分别为点1、2、3、4、5、6对应的电池端电压，cI、dI为电池的充电和放电电流。获得电池的欧姆内阻和总内阻后，通过总内阻减去欧姆内阻得到电池的极化内阻，在本文中，极化内阻指浓差极化内阻和电化学极化内阻的加和。在10℃，25℃和40℃三种不同温度下分别测算电池充放电的欧姆内阻、极化内阻和总内阻，测算结果如图5～10所示。图5三种温度下各SOC值对应的电池充电欧姆内阻曲线图6三种温度下各SOC值对应的电池放电欧姆内阻曲线图7三种温度下各SOC值对应的电池充电极化内阻曲线机械工程学报第47卷第18期期118图8三种温度下各SOC值对应的电池放电极化内阻曲线图9三种温度下各SOC值对应的电池充电总内阻曲线图10三种温度下各SOC值对应的电池放电总内阻曲线(1)在较宽的SOC区间内，如SOC值处于0.3～1.0时，同一温度下电池的内阻基本上不变，无论是欧姆内阻、极化内阻还是总内阻。而在SOC值较低的情况下，如SOC值小于0.1这一区间，电池的内阻随着SOC的降低而急剧增加，同时，极化内阻的上升速率远大于欧姆内阻。(2)随着温度的降低，电池充放电的欧姆内阻、极化内阻和总内阻均增加。这是因为，上述测试方法得到的是电池的直流内阻，该直流内阻主要由电池极板、极柱等金属连接件和电解液的欧姆内阻共同组成。本试验中使用的电解液为锂盐电解质和有机溶剂，该电解液主要依靠电解质的离子导电，因此，在一定的温度范围内，温度降低，离子迁移速度降低，电解液的欧姆内阻增大，由于电解液的内阻是电池欧姆内阻的主要来源，因此，温度降低，电池的欧姆内阻增大。同时，温度降低，离子移动速度减慢，化学反应速度降低，浓差极化和电化学极化增大，这使得极化内阻也增大。另外，在SOC值处于较宽的中后段区间内时，不同的温度下的电池极化内阻差距较小，而不同温度下的电池欧姆内阻则相差较大，即欧姆内阻比极化内阻对于环境温度更加敏感。(3)由充放电欧姆内阻曲线可以看出，25℃虽然是10℃和40℃的中位温度，但是25℃曲线明显地更倾向于40℃曲线。也就是说，相比高温，电池欧姆内阻的变化对于低温更加敏感，变化的速度在低温下更大。(4)温度越低，电池的充放电欧姆内阻随SOC值减小而上升的速率和幅度均越大。(5)随着SOC值的降低，10℃下电池的充放电极化内阻的上升要早于25℃和40℃曲线的上升。10℃环境温度下，电池的极化内阻在SOC值小于0.5时就表现出上升迹象，而25℃和40℃曲线上，直到SOC值小于0.1才能观测到极化内阻的显著上升现象。即温度越低，随着SOC值的降低，其极化内阻上升得更早，这一现象与低温下浓差扩散速度的减慢有关。另外，这一规律对于欧姆内阻并不明显。4环境温度对电池开路电压的影响开路电压OCV和SOC的关系图是反应电池基本性能的重要曲线，不同种类的电池该条曲线的形态也各不相同。在同一温度同样的试验规则下，