航空鈷酸鋰電池的溫度特性研究

梁 奇，于春梅，王順利

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010)

航空鈷酸鋰電池的溫度特性研究

梁 奇，于春梅，王順利

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010)

溫度對(duì)鋰電池的容量和充放電特性等關(guān)鍵指標(biāo)有著重要的影響，對(duì)其進(jìn)行研究可以為鋰電池的實(shí)際使用和維護(hù)以及SOC估算提供依據(jù)。以航空鈷酸鋰電池為對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其容量、充放電曲線在不同環(huán)境溫度下的變化規(guī)律。結(jié)果表明：在環(huán)境溫度高于20℃時(shí)電池容量變化不明顯，但在環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，電池容量將快速下降。在低溫環(huán)境下充電時(shí)，電池容量在平臺(tái)區(qū)時(shí)變化很大，且上升速度明顯大于在高溫環(huán)境下。在低溫環(huán)境下，特別在低于－20℃時(shí)，電池在放電過(guò)程中電壓下降速度激增。放電初期，電池電壓下降較快，進(jìn)入平臺(tái)區(qū)放電速度減慢，但一旦電池電壓低于3.7 V，電壓急速下降。

鈷酸鋰電池；溫度；容量；充放電特性

Abstract:The key indicators of the capacity and charging and discharging characteristics of lithium-ion batteries were greatly effected by temperature.The study of it could provide basis for actual use,maintenance andSOCestimation.Based on the aviation cobalt acid lithium batteries for research object,the change rule of aviation cobalt acid lithium battery capacity,charge and discharge curves through the experiment under different environmental temperature was studied.The results show that capacity change of battery in the environmental temperature above 20℃was not obvious,but in the ambient temperature below－10℃,the battery capacity would decline rapidly.When the battery was charged in a low-temperature environment,the capacity of battery varied greatly in the platform region,and the rise speed was significantly higher than it in the high-temperature environment.In low temperature environment,especially less than－20℃,the battery voltage dropped speed surge in the process of discharge.Early discharge,the battery voltage dropped quickly,during the platform area discharge at a slower pace,but once the battery voltage was lower than 3.7 V,the voltage would drop rapidly.

Key words:cobalt acid lithium batteries;temperature;capacity;charge and discharge characteristics

鋰電池是當(dāng)今航空航天事業(yè)中不可或缺的動(dòng)力能源之一，常作為各種飛行器設(shè)備啟動(dòng)、通訊、應(yīng)急的備用能源，是航空航天器的重要部件。然而在正常工作中，鋰電池對(duì)環(huán)境溫度十分敏感，在電池的循環(huán)使用過(guò)程中，溫度的影響舉足輕重，卻極易被忽視。電池容量、充放電特性會(huì)隨著溫度的改變而改變，溫度偏高偏低都將嚴(yán)重影響電池的性能和使用壽命[1]。由于航空鈷酸鋰電池需要長(zhǎng)期工作在低壓低溫等不利環(huán)境中，這必將導(dǎo)致鋰電池循環(huán)使用壽命縮短，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致電池報(bào)廢或產(chǎn)生不可估計(jì)的損失。因此研究航空鈷酸鋰電池的溫度特性十分必要。

文獻(xiàn)[2]重點(diǎn)介紹了磷酸鐵鋰電池對(duì)溫度變化的特性，研究了溫度對(duì)磷酸鐵鋰電池特性包括容量、內(nèi)阻、開(kāi)路電壓在內(nèi)的影響，深入剖析了磷酸鐵鋰電池各項(xiàng)特性隨溫度的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[3-6]詳細(xì)闡述了不同溫度對(duì)鋰電池性能的影響，高溫使電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)加快，能量利用率更高，可輸出能量增加，即電池容量得到提高。但是若電池所處環(huán)境溫度過(guò)高，電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)速度將會(huì)受到抑制，從而降低鋰電池使用壽命，并可能造成爆炸事故，產(chǎn)生難以估計(jì)的損失。若電池長(zhǎng)期工作在過(guò)高溫度下，也將導(dǎo)致電池的循環(huán)壽命顯著縮短。在低溫環(huán)境下，電池內(nèi)部電解液的離子電導(dǎo)率明顯下降[7]，電池歐姆極化、濃差極化、電化學(xué)極化明顯增大，電池的放電平臺(tái)降低，導(dǎo)致電池更快達(dá)到放電截止條件，嚴(yán)重影響電池的能量利用效率，造成能量利用不充分，進(jìn)而造成電能的浪費(fèi)。即使在鋰離子電池允許使用的溫度范圍之內(nèi)，不同的溫度范圍下，鋰電池的容量仍然存在較大差距。電池容量隨溫度的變化規(guī)律[8]將會(huì)影響電池壽命管理和荷電狀態(tài)的估算[9]。

本文將深入研究鈷酸鋰電池在不同溫度條件下，電池容量、充放電特性的變化規(guī)律，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定鈷酸鋰電池在不同溫度下電池容量和充放電特性的變化，為鈷酸鋰電池SOC在不同溫度下的估算提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的是型號(hào)為ICP45的鈷酸鋰離子電池。該電池額定容量為45 Ah，標(biāo)稱電壓為3.7 V，可在－20～60℃環(huán)境溫度下放電，電池正極材料為鈷酸鋰，電池單體的部分技術(shù)參數(shù)如表1所示。電池充放設(shè)備采用ZY6911、ZY6952電源，放電設(shè)備也采用ZY8711電子負(fù)載。實(shí)驗(yàn)用恒溫箱選用SETH-Z-040L低溫調(diào)濕實(shí)驗(yàn)箱，以達(dá)到控制溫度的目的。

表1 ICP45電池的基本技術(shù)參數(shù)

1.2 容量測(cè)試

電池容量代表了電池作為儲(chǔ)能元件向外界提供能量的能力，是評(píng)估電池各項(xiàng)性能的重要指標(biāo)之一，電池容量的計(jì)算方法如式(1)所示。

式中：Q表示電池電荷量；I表示放電電流；T表示放電時(shí)間；當(dāng)電流不斷變化時(shí)，電池容量為放電電流與時(shí)間的累積。對(duì)于維護(hù)系統(tǒng)而言，由于其采樣過(guò)程是離散的，電池容量計(jì)算公式式(2)所示：

式中：ik是k時(shí)刻的放電電流，Δt為兩次采樣的時(shí)間差。

根據(jù)電池是否與直流系統(tǒng)脫離，可以將測(cè)試電池容量的方式分成離線測(cè)試和在線測(cè)試兩類(lèi)。根據(jù)電池放電量的大小，可分為以下幾種方式，即全放電法、核對(duì)性容量試驗(yàn)法和單個(gè)電池(標(biāo)示電池)核對(duì)性容量試驗(yàn)法。根據(jù)直流供電的實(shí)際情況，這兩種測(cè)試方式可以自由組合，得到離線式全容量測(cè)試、離線式核對(duì)性容量測(cè)試、在線式全容量測(cè)試以及在線式核對(duì)性容量測(cè)試等方法。

測(cè)試容量使用全放電法，這種方法能夠最直接、最可靠地檢測(cè)電池容量，是目前世界上測(cè)試電池容量最普遍的方法，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是放電速率溫度可靠度高，其他估算方法都存在著一定的誤差。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

航空鈷酸鋰電池的容量測(cè)試采用全放電法，將電量充足的鈷酸鋰電池分別放置在不同溫度的環(huán)境下進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，討論環(huán)境溫度的改變對(duì)電池放出容量的影響。具體步驟如下：(1)電池活化，用0.5C電流對(duì)電池進(jìn)行多次循環(huán)充放電，使電池內(nèi)部離子活化；(2)充電方法為：以充電倍率0.2C對(duì)電池進(jìn)行恒流充電，待電池電壓達(dá)到4.15 V，此時(shí)將充電方式改為恒壓充電方式，直到充電電流下降到0.3 A為止，停止充電；(3)放電方法為：將電池在環(huán)境溫度中靜放1 h，再以放電倍率0.2C對(duì)電池進(jìn)行恒流放電，直到電池電壓下降到3 V停止放電，并計(jì)算電池放出的電量；(4)改變電池SOC狀態(tài)：進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，記錄電池在充放電過(guò)程中的電壓值變化；(5)將同一型號(hào)的7塊鈷酸鋰電池分別置于 -20、-10、0、10、20、30、40 ℃下進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，步驟同上；(6)記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出電池放電容量如圖1所示；(7)充電完成后關(guān)閉充電電源，放電完成后關(guān)閉電子負(fù)載，清理實(shí)驗(yàn)器材；(8)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制充放電過(guò)程中電池電壓在不同溫度下隨SOC的變化曲線。

圖1 電池容量隨溫度的變化

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境溫度對(duì)容量變化的影響

分析圖1可知，低溫環(huán)境中，電池容量衰減速度明顯加快，而在常溫環(huán)境中，容量隨著溫度升高而有所增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)速率相比低溫時(shí)較慢。－20℃時(shí)，電池內(nèi)部電解液凝固，電子活性降低，離子電導(dǎo)率明顯下降，電池內(nèi)阻上升，導(dǎo)致電池容量顯著降低，僅為標(biāo)稱值的62%。

而在－10～40℃，隨著溫度上升，電池內(nèi)部電子活性不斷升高，電化學(xué)反應(yīng)加快，容量從標(biāo)稱容量的78%升至107%。在電池循環(huán)充放電次數(shù)較少，即電池投入使用不久，電池還未開(kāi)始老化之前，高溫環(huán)境中電池的循環(huán)穩(wěn)定性略差于常溫環(huán)境中的循環(huán)穩(wěn)定性?？梢园l(fā)現(xiàn)鋰電池在40℃環(huán)境溫度下放出的電量超過(guò)了電池的標(biāo)稱容量，這是因?yàn)楦邷貢r(shí)電池內(nèi)部電解質(zhì)黏度降低，提升了鋰離子的遷移速度，這時(shí)，放電容量不僅會(huì)超過(guò)標(biāo)稱容量，而且充入的電量也會(huì)更高，這就出現(xiàn)了電池容量達(dá)到標(biāo)稱容量的107%的情況。

事實(shí)上，溫度過(guò)高會(huì)降低電池容量，鋰電池容量由于發(fā)生了電池極化會(huì)大幅衰減，電子的轉(zhuǎn)移速度超過(guò)了鋰離子的擴(kuò)散速度，進(jìn)而電池正極容納的鋰離子越來(lái)越少，在環(huán)境溫度為60℃的高溫下，這種極化現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，這也是導(dǎo)致鋰電池容量大幅衰減的根本原因。國(guó)家相關(guān)電源維護(hù)規(guī)程及蓄電池維護(hù)效果要求也有過(guò)明文規(guī)定，一旦電池組荷電容量達(dá)不到標(biāo)稱容量的80%便不能再投入使用，否則容易發(fā)生危險(xiǎn)事故，因此應(yīng)盡量保證電池啟動(dòng)和工作在0～40℃范圍內(nèi)。

2.2 環(huán)境溫度對(duì)充放電特性的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制充放電過(guò)程中電池電壓在不同溫度下隨SOC的變化曲線，圖2為充電過(guò)程中電池電壓隨溫度的變化曲線，圖3為放電過(guò)程中電池電壓隨溫度的變化曲線。

圖2 充電過(guò)程電池電壓隨溫度的變化

圖3 放電過(guò)程電池電壓隨溫度的變化

分析圖2電壓變化曲線可知，低溫環(huán)境下充電電池平臺(tái)區(qū)電壓變化大。隨著環(huán)境溫度的增加，充入相同的電荷量，電壓變化趨勢(shì)減小。當(dāng)不同溫度電池處于電壓相同的情況下，環(huán)境溫度較高的電池質(zhì)量比能量更大，如果電池管理系統(tǒng)不設(shè)置溫度檢測(cè)，在低溫條件下電池可能會(huì)過(guò)放或過(guò)充，而在高溫環(huán)境下充不滿電，從而影響電池使用壽命。

充電初期，采用恒流充電方式，電池吸熱，自身溫度升高，隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，電池溫升加劇，達(dá)到最高充電電壓過(guò)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，電池電壓增長(zhǎng)變緩。溫度越低，電池越容易達(dá)到充電截止電壓。

分析圖3中的曲線變化可知，恒流放電條件下，航空鈷酸鋰電池電壓變化大致可分為以下3個(gè)階段：(1)放電初期，電池電壓下降較快；(2)放電一定時(shí)間后，電池電壓降低變緩，進(jìn)入平臺(tái)區(qū)；(3)放電末期(如圖3中荷電狀態(tài)小于0.2SOC)，電池電壓呈直線下降趨勢(shì)。

當(dāng)鋰電池從充滿電壓4.2 V放電到3.7 V時(shí)，耗時(shí)很久，但一旦過(guò)了3.7 V，電池電壓就急速下降，這是由于電池有一個(gè)放電平臺(tái)，平臺(tái)區(qū)電池電量最充足。鈷酸鋰電池在放電中期，電壓下降幅度緩慢，在SOC值低于0.2范圍內(nèi)繼續(xù)放電時(shí)，電池電壓急速下降，不同溫度下差距不大；電池電壓為3.8 V時(shí)，40℃環(huán)境中的電池SOC為0.6左右，而－20℃環(huán)境中的電池SOC僅為0.2左右，這意味著溫度越低，電池越容易達(dá)到放電截止條件。

將40、20℃和－10℃溫度下的電壓曲線繪制如圖4所示。充電和放電過(guò)程的電壓曲線存在差異，放電得到的電壓曲線總是略低于充電得到的曲線。這是因?yàn)殡姵爻潆姷侥骋籗OC數(shù)值開(kāi)始靜置時(shí)，電壓持續(xù)降低至逐漸趨近電池的電壓真值，而放電到同一SOC數(shù)值開(kāi)始靜置時(shí)，電壓持續(xù)升高至逐漸趨于電池的同一電壓真值。由于這一趨近過(guò)程相當(dāng)緩慢，所需時(shí)間非常長(zhǎng)，即使在測(cè)量電壓時(shí)電池已靜置相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，放電曲線上得到的電壓依然小于充電曲線上得到的電壓。且隨著溫度降低，充放電曲線之間的差距逐漸縮小。

圖4 三種溫度下充放電過(guò)程曲線

3 結(jié)論

本文通過(guò)測(cè)驗(yàn)不同溫度下航空鈷酸鋰電池荷電容量和充放電電壓曲線的變化，分析溫度與航空鈷酸鋰電池特性的關(guān)系，可得到如下結(jié)論：(1)航空鈷酸鋰電池容量變化在低溫時(shí)特別明顯，當(dāng)環(huán)境溫度為－20℃時(shí)，電池荷電容量只能達(dá)到額定容量的62%，隨著溫度升高，電池容量有所上升，在40℃環(huán)境溫度下荷電容量能夠達(dá)到107%SOC。因此電池工作環(huán)境溫度盡量保證在0～40℃范圍內(nèi)；(2)充放電過(guò)程中電池電壓隨著環(huán)境溫度的改變而改變，溫度越低，電池越容易達(dá)到充放電截止電壓，電池電壓相同時(shí)，溫度越低，電池SOC值越??；(3)放電曲線上得到的電壓小于充電曲線上得到的電壓，壓差來(lái)自于電池內(nèi)阻。

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Study on temperature characteristics of aviation lithium cobalt oxide battery

LIANG Qi,YU Chun-mei,WANG Shun-li
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1278-03

2017-02-12

四川省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2017FZ0013)；四川省教育廳科研項(xiàng)目(17ZB0453)；綿陽(yáng)市科技局科技攻關(guān)項(xiàng)目(15G-03-3)

梁奇(1991—），女，四川省人，碩士，主要研究方向?yàn)樾铍姵貭顟B(tài)檢測(cè)與控制。