某電動車用三元材料鋰離子電池低溫性能研究

秦李偉，徐愛琴，梁榮榮，吳飛馳，趙久志，夏順禮

某電動車用三元材料鋰離子電池低溫性能研究

秦李偉，徐愛琴，梁榮榮，吳飛馳，趙久志，夏順禮

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，新能源汽車研究院，合肥 230601）

鋰離子電池以其低成本、長壽命、高性能等特點正在成為電動汽車的核心電源類型。本文基于某電動車用三元材料電池，在電池組層面上，對不同溫度下的容量效率、能量效率、直流阻抗、功率性能等方面進行測試，詳細分析了三元電池組在低溫下的各種性能，結(jié)果表明三元鋰電池組在低溫下具有較高的電性能，如放電功率等，相比于同規(guī)格的磷酸鐵鋰電池可提高10%，滿足整車低溫使用要求。

三元電池；低溫性能；直流內(nèi)阻；功率

1　前言

近年來，由于環(huán)境污染愈發(fā)嚴重，各國爭相發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，作為純電動車和混合動力汽車的配套電源，鋰離子電源以其低成本、長壽命、高比能量和高比功率正在成為現(xiàn)階段車用主要動力來源［1-5］。目前，電動汽車主流使用的電池為磷酸鐵鋰電池，因其良好的安全性能、長壽命和高性價比而廣受歡迎。但是，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，磷酸鐵鋰材料的能量密度已遇到瓶頸，已經(jīng)很難滿足未來電動汽車的需求。三元材料Li（NixCoxMnx）O2電池具有LiNiO2的高比容量，LiCoO2的優(yōu)良循環(huán)性能，LiMn2O4的高安全性以及低成本等特性逐漸成為未來電動車動力電池的主要選擇。

電池所使用的環(huán)境溫度對電池的容量、能量、內(nèi)阻、功率等性能有較大的影響，作為車用能源核心，低溫是普遍使用的工況。本文選用可產(chǎn)業(yè)化電動車用三元電池，在電池組層面上，對其低溫各項電性能進行測試試驗并分析，為整車低溫性能開發(fā)提供重要依據(jù)。

2　三元材料電池低溫性能試驗方法

采用生產(chǎn)廠家美國 Bitrode、型號為FTF-600-600BS的動力電池組測試系統(tǒng)和SDH4045P型大型高低溫交變濕熱試驗箱。測試系統(tǒng)主要由機柜、充放電模塊和上位PC機測試軟件組成。測試系統(tǒng)用于對單體鋰離子電池進行充放電和性能測試，通過監(jiān)控軟件對電池組測試數(shù)據(jù)進行分析處理和歸檔保存，由此完成電池性能的評估。電池系統(tǒng)測試參數(shù)包括：充放電電流、電池溫度、電池電壓、充放電容量、充放電時間等。

（1）電池組容量、能量測試方法

在25℃下，對電池組進行0.5C充電，直至達到單體最高允許充電截止電壓。降溫，待溫度達到指定溫度并穩(wěn)定后，進行工況放電，直至達到單體最低允許放電截止電壓，記錄放電容量和能量。

（2）電池組直流內(nèi)阻測試方法

根據(jù)容量測試數(shù)據(jù)，分別在SOC100%、90%、80%、…10%狀態(tài)下，用整車加速下最高功率輸出所對應(yīng)的平均放電電流放電10 s，計算得出10 s末的直流內(nèi)阻值，可參考HPPC測試方法。

（3）電池組低溫功率測試方法

根據(jù)容量測試數(shù)據(jù)，對電池組進行放電，分別測試90%SOC、60%SOC、30%SOC、20%SOC、10%SOC五個點的功率值，用恒功率放電，分別得出5 s和10 s的放電功率。

3　試驗結(jié)果分析

3.1電池規(guī)格

表1　電池組規(guī)格

表1所示為三元及磷酸鐵鋰電池組的規(guī)格型號，兩款電池組容量、額定電壓接近，分別對其開展性能測試，比較三元及磷酸鐵鋰材料的低溫性能，評估三元材料電池在低溫性能上的優(yōu)勢。

3.2電池組低溫容量、能量性能測試分析

對三元電池組進行不同溫度下容量、能量測試，計算其能量效率和容量效率，并與磷酸鐵鋰電池進行比較。具體結(jié)果如表2和圖1所示：

表2　磷酸鐵鋰和三元電池組低溫下容量效率和能量效率比較

從表2中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，兩款電池組的容量效率與能量效率都在降低，這是因為從動力學(xué)角度出發(fā)，當環(huán)境溫度降低時，電池內(nèi)部的氧化還原反應(yīng)的速率降低，離子移動速度減慢，電池的內(nèi)阻上升，從而使其放電容量降低。同時，隨著環(huán)境溫度的降低，電池出現(xiàn)自動加熱效應(yīng)，電池電壓在剛開始的急速下降后，在放電中期慢慢得到恢復(fù)，其中有部分能量用于自加熱使電池溫度上升，故此使得其放電容量和能量下降。

從圖1中可以看出三元電池組在低溫下的容量效率和能量效率都要比磷酸鐵鋰高，且隨著溫度的降低其容量效率和能量效率的下降速率也要比磷酸鐵鋰低，這說明三元電池組的低溫性能要優(yōu)于磷酸鐵鋰電池組。這是因為一、三元材料的電池能量密度要比磷酸鐵鋰材料的電池高，故在相同條件下，其能量效率要高于磷酸鐵鋰電池；二、三元材料電池的內(nèi)阻要略大于磷酸鐵鋰電池，故在放電過程中，其所釋放出的熱量要相對較高，由于電芯在電池組內(nèi)排列相對緊密，故有一部分熱量無法及時排出，從而導(dǎo)致電芯表面溫度升高，在低溫環(huán)境下，隨著電池溫度的升高，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速率增加，離子移動速率加快，放電能力提高，因此，三元材料電池的放電容量和放電能量要高于磷酸鐵鋰電池。

3.3電池組低溫直流內(nèi)阻測試分析

電池組直流內(nèi)阻測試方法如圖2所示，對電池組進行放電電流的快速切換，在短時間（毫秒級）內(nèi)改變放電電流，測試設(shè)備能根據(jù)電壓與電流的瞬變值，得到直流內(nèi)阻近似值。

分別對三元電池組進行各個溫度下的直流內(nèi)阻測試，測試結(jié)果如表3和圖3所示：

表3　不同溫度下的SOC-DCR數(shù)據(jù)

直流內(nèi)阻包含三個部分，分別是歐姆內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻和活化極化內(nèi)阻。其中歐姆內(nèi)阻是由電池本身的材料所決定的，因此歐姆內(nèi)阻一旦確定，其值是不變的?；罨瘶O化內(nèi)阻是由電化學(xué)反應(yīng)體系的性質(zhì)決定的，電池體系和結(jié)構(gòu)確定了，其活化極化內(nèi)阻也就確定了。濃差極化內(nèi)阻是由參加電極反應(yīng)的離子濃度變化引起的，因此，環(huán)境溫度的降低，會使電池內(nèi)部的離子活性降低，離子移動速率降低，參與電化學(xué)反應(yīng)的離子濃度也就降低，電池內(nèi)阻上升。因此隨著溫度的降低，直流內(nèi)阻在不斷增加。

3.4電池組低溫功率性能比較

分別對三元電池組和磷酸鐵鋰電池組進行低溫下實際功率測試，比較其低溫功率性能。具體結(jié)果如圖4所示（圖4見下頁）。

從圖4中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，兩款電池組的功率值都在降低，這是因為溫度的降低，使得電池內(nèi)部的電化學(xué)活性降低，從而使得電池的放電能力減弱，同時隨著SOC的降低，其放電功率也在逐漸降低，這是因為隨著容量的降低，其放電能力逐漸減弱，導(dǎo)致功率值降低。通過比較，可發(fā)現(xiàn)三元材料電池的低溫功率明顯要高于磷酸鐵鋰電池，這就說明三元材料電池在低溫功率特性上要明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。

4　結(jié)論

通過以上電性能試驗及數(shù)據(jù)分析，可以得到三元材料電池組的低溫性能都要優(yōu)于磷酸鐵鋰材料電池。初步分析，磷酸鐵鋰材料是橄欖石結(jié)構(gòu)，屬于正交晶系，導(dǎo)致鋰離子遷移速度慢，電子傳到速率低，大大制約了其低溫性能的發(fā)揮。用三元材料電池代替磷酸鐵鋰電池，作為未來電動汽車的主要動力核心，具有一定的可行性和適用性。

［1］夏順禮，秦李偉，趙久志等.某純電動車電池可靠性性能分析［J］.汽車工程學(xué)報，2011，1（3）:215-220.

［2］夏順禮，秦李偉，趙久志等.某純電動車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計分析與驗證［J］.汽車工程學(xué)報，2011，1 （2）:140-146.

［3］丁楚雄.鋰離子電池三元正極與鈦酸鋰負極材料的濕化學(xué)法制備及表征.中國科技大學(xué)博士學(xué)位論文.2012.

［4］胡悅麗.鋰離子電池低溫性能影響因素的分析與研究.湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.2013.

［5］肖利芬，艾新平，楊漢西，曹余良.鋰離子電池多元電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)行為研究［J］.電池， 2004，34 （4）:270-274.

專家推薦

韓建濤：

本文以鋰離子電池三元材料為基礎(chǔ)，在電池組層面上，對不同溫度下的容量效率、能量效率、直流阻抗、功率性能等方面進行測試，詳細分析了三元電池組在低溫下的各種性能，結(jié)果表明三元鋰電池組在低溫下具有較高的電性能，如放電功率等，相比于同規(guī)格的磷酸鐵鋰電池可提高10%，完全滿足整車低溫使用要求。鑒于本文數(shù)據(jù)完備，理論分析詳盡透徹，電池性能突出，推薦發(fā)表！

Research onLow Temperature Performance of NCM Battery used for EV Vehicle

QINLi-wei， XU Ai-qin，LIANG Rong-rong， WU Fei-chi， ZHAO Jiu-zhi， XIA Shun-li
（Technical Center of Anhui Jianghuai Automobile Co.，Ltd.， New Energy Vehicle Academy， Hefei，230601， China）

Lithium-ion battery has been used for the core power source of the electric vehicle withLow-cost，Long-life， high-performance features. The performance of capacity/energy efficiency and DC resistance， power at different temperatures in the battery packLevel has been performed based on NCM battery of electric vehicle in this paper. A detailed performance analysis of battery pack atLow temperatures has been introduced. The results show that the NCMLithium batteries have more than 10% higher electrical performance thanLFPLithium battery to meet the requirement of vehicle inLower temperature usage， such as discharge power and capacity.

NCM battery；Low temperature performance； DC resistance； power

U469.72+2

A

1005-2550（2015）02-0033-04

10.3969/j.issn.1005-2550.2015.02.008

2014-09-10