電動汽車用圓柱三元鋰電池性能研究

張燕梅

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電動汽車用圓柱三元鋰電池性能研究

張燕梅

（福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車股份有限公司，福建 莆田 351100）

18650圓柱三元鋰電池已廣泛應(yīng)用于電動汽車，由于長續(xù)航里程的需求21700圓柱三元鋰電池成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，高能量密度的三元鋰電池是當(dāng)前動力電池的發(fā)展方向?；陔妱榆嚨氖褂眯枨螅恼聦?8650和21700圓柱三元鋰電池進(jìn)行能量密度、充放電效率、倍率充放電性能、高低溫性能、存儲性能、安全性等進(jìn)行測試和研究，發(fā)現(xiàn)同一電池廠家的18650電池與21700電池性能表現(xiàn)一致，如倍率充電性能、倍率放電性能、高低溫性能等，21700電池的能量密度、倍率放電性能、存儲性能較優(yōu)，認(rèn)為21700電池更適用于電動汽車。

三元鋰電池；18650電池；21700電池；性能研究

前言

作為中國戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一的新能源汽車發(fā)展迅猛，根據(jù)公安部數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2018年中國新能源汽車保有量達(dá)261萬輛，其中純電動汽車保有量211萬輛，占新能源汽車總量的81.06%。作為電動汽車的能量來源，動力電池需求持續(xù)增加，據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2018年我國新能源汽車動力電池裝機(jī)總量為56.89GWh，三元鋰電池裝機(jī)量占比達(dá)到58.17%。

三元鋰電池一般是指采用鎳鈷錳酸鋰（Li（NiCoMn）O2，NCM）或鎳鈷鋁（NCA）三元正極材料的鋰電池。得益于電動汽車長續(xù)航里程需求近年來高能量密度的三元鋰電池占比逐漸提高，成為當(dāng)前動力電池的主流發(fā)展方向。

自1994年18650鋰離子電池問世以來，已經(jīng)取得了巨大的成功，如特斯拉的Model S、X 就是采用日本松下提供的18650電池。但18650電池受限于體積，容量提升空間較小，應(yīng)用前景受限。21700電池保持了18650電池的高可靠性和穩(wěn)定性，同時具有更高的能量密度，更低的成本，能更好的滿足電動汽車的要求。近年全球鋰電巨頭的重點(diǎn)紛紛轉(zhuǎn)向21700電池。圓柱電池的生產(chǎn)設(shè)備和工藝成熟、自動化程度高、生產(chǎn)效率高、成本低、可靠性強(qiáng)、一致性好，已廣泛應(yīng)用于電動汽車市場。

選擇市場上主流的18650和21700圓柱三元鋰電池作為研究對象，對其能量密度、充放電效率、高低溫性能、功率內(nèi)阻、存儲性能等性能進(jìn)行研究。

1 性能測試

1.1 測試項目

動力電池性能優(yōu)劣直接決定了電動汽車的續(xù)航里程、動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等整車性能。為了滿足電動汽車的使用需求，動力電池必須具備高能量密度、高功率性能、寬溫度適應(yīng)性、安全可靠、長壽命、低成本等特性[1]。

如何科學(xué)有效地評價動力電池性能參數(shù)，對于電動汽車的發(fā)展及應(yīng)用十分重要。我國動力電池測試評價標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)形成了較為完善的體系，如2015年中國頒布了GB /T 31484、GB/T 31485、GB/T31486和GB/T 31467. 1 /2 /3 等電池測試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2]，可以較全面的評價動力電池的性能參數(shù)。

綜合現(xiàn)有的測試標(biāo)準(zhǔn)、動力電池參數(shù)指標(biāo)及電動汽車的應(yīng)用需求，本文對圓柱三元鋰電池進(jìn)行能量密度、充放電性能、高低溫性能、功率和內(nèi)阻、存儲性能、一致性和安全性的測試。

1.2 測試方法

1.2.1 測試樣品

單體電池是動力電池最基本的單元，也是構(gòu)成電動汽車用動力電池系統(tǒng)的基礎(chǔ)，選擇市場上主流的5家動力電池廠家生產(chǎn)的同類型18650單體電池和21700單體電池作為研究對象，測試樣品參數(shù)如表1 所示。

表1 測試樣品參數(shù)

1.2.2 測試臺架

電性能測試臺架由電池檢測設(shè)備（新威CT-4032-5V10A -NTFA）、圓柱電池工裝夾具（新威）、高低溫環(huán)境箱( 錦宏JHHC-415T-2 )和上位機(jī)組成，見圖1。

圖1 測試臺架

將測試樣品安裝在圓柱電池工裝夾具上，放入高低溫環(huán)境箱，電池檢測設(shè)備根據(jù)測試要求對測試樣品進(jìn)行充放電試驗，通過上位機(jī)采集并記錄測試樣品的電壓、電流和溫度等詳細(xì)參數(shù)。

2 性能分析

2.1 能量密度

“我國基礎(chǔ)充電設(shè)施仍不完善、中途補(bǔ)電不便”及“里程焦慮”仍然是困擾電動車發(fā)展的最大難題[3]。能量密度是動力電池的主要性能指標(biāo)之一。

動力電池的能量密度是指平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。

式中：為重量能量密度，以wh/kg計；為體積能量密度，以wh/L計；

E為電池能量，以wh計；

為重量，以kg計；

V為體積，以L計。

同一類型同一批次電池各隨機(jī)挑選10顆，按照GB /T3148-2015 6.2.5的方法進(jìn)行室溫容量和能量測試，充電截止電壓全部為4.2V，放電截止電壓全部為3.0V，同時測量每一顆電池的重量、尺寸，計算其能量密度，以A1~D2電池能量密度的平均值作為評價指標(biāo)，測試結(jié)果如下表2。

表2 能量密度

從表2可知，圓柱三元鋰電池的重量能量密度基本都高于200wh/kg，體積能量密度接近600wh/L，可滿足現(xiàn)行的電動汽車性能要求和補(bǔ)貼要求。但《中國制造2025》明確了2020年，動力電池能量密度達(dá)到300Wh/kg的發(fā)展目標(biāo)，故進(jìn)一步提升能量密度是未來的發(fā)展方向。

不同廠家的18650電池和21700電池能量密度均差別較大，這主要是因為電池的性能受材料、工藝等影響較大。

理論上21700電池應(yīng)比18650電池具有更高的能量密度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)21700電池的重量能量密度最高可達(dá)到250.9wh/kg，但部分廠家的21700電池能量密度反而比18650電池低，經(jīng)分析這是因為部分電池廠家的21700生產(chǎn)工藝不夠成熟，造成能量偏低，應(yīng)進(jìn)一步提升21700電池的性能，使21700的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)。

2.2 充放電性能

電池充放電效率和快速充放電能力是影響電動汽車市場認(rèn)可度的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.2.1 充放電效率

A1~D2電池的充放電效率測試結(jié)果如表3。庫倫效率為充電容量與放電容量的比值，能量效率為充電能量與放電能量的比值。

表3 充放電效率

從表3可以看出，圓柱三元鋰電池的庫倫效率均接近100%，18650電池能量效率均為91%以上，21700電池能量效率在92%以上，優(yōu)于18650電池，對于電動汽車的應(yīng)用來說具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2.2.2 倍率充電性能

充電時間直接影響了電動汽車的客戶體驗及充電樁的使用效率和經(jīng)濟(jì)性。充電時間越快對于電動汽車的推廣越有利，故大倍率充電性能是電池的性能指標(biāo)之一。以0.33C充電能量作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別計算0.5C和1.0C的充電能量比值，A1~D2電池的倍率充電測試結(jié)果如圖2。

圖2 倍率充電性能

從圖2可以看出對于NCM三元鋰電池（B1~D2）同一廠家的18650電池和21700電池倍率充電性能趨勢一致，結(jié)果相近，大倍率充電能量大是因為大電流充電時焦耳熱比較大，引起電池溫度升高，導(dǎo)致充電能量增加。但對于A2電池的大倍率充電性能較差，0.5C和1C的充電能量明顯低于0.33C的充電能量，而A1電池的大倍率充電性能無損失。

2.2.3 倍率放電性能

動力電池的倍率放電性能直接決定了電動汽車的使用性能，電池放電倍率越大，電動汽車的起步、加速、爬坡性能越優(yōu)。

圖3 倍率放電性能

以1.0C放電能量作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別計算0.2C、0.33C、0.5C、1.5C和2.0C的放電能量比值，A1~D2電池的倍率放電測試結(jié)果如圖3。可以看出同一廠家的18650電池和21700電池放電倍率性能趨勢一致，隨著放電倍率的增大，放電能量減少，但21700電池的大倍率放電性能比18650略好，A1~D2的大倍率放電性能較好，可滿足電動汽車使用。

2.3 高低溫性能

電動汽車使用地域?qū)拸V，動力電池需要適應(yīng)不同的環(huán)境溫度，動力電池需要有好的高低溫性能。以25℃下1C放電能量作為標(biāo)準(zhǔn)值，分別計算高低溫下的1C放電能量比值，A1~D2電池的高低溫性能測試結(jié)果如圖4。

圖4 高低溫性能

從圖4可以看出同一廠家的18650電池和21700電池高低溫性能趨勢一致，隨著溫度的降低，放電能量減少，但21700電池的低溫放電性能比18650略好，如B2在-20℃下的放電能量可接近25℃放電能量的87.43%，而A1僅為64.83%。高溫性能表現(xiàn)差異較大，最好的為C2可達(dá)到113.09%。

2.4 存儲性能

動力電池存儲性能直接影響了電動汽車的使用，選擇50%SOC和100%SOC電池，在常溫下儲存30天，測試容量保持率，結(jié)果如圖5。

電池在50%SOC存儲和100%SOC電池存儲的容量保持率比較接近，結(jié)果差異取決于不同的電池廠家，但能量保持率則100%SOC的高很多。對于NCA電池即21700存儲性能略低，但對于NCM電池則21700電池存儲性能高一些。

圖5 存儲性能

2.5 內(nèi)阻性能

動力電池內(nèi)阻，直接決定了電動汽車的功率性能，且影響了電池的溫升特性。測試圓柱形三元鋰電池在10%SOC- 0%SOC下的1C10S放電，計算電池的10S內(nèi)阻性能。結(jié)果如圖6。

圖6 內(nèi)阻性能（單位：mΩ）

對于大部分電池來說21700電池比18650電池低。對于同一個電池來說， SOC大的和SOC小的時候電池的內(nèi)阻均較大，90%SOC~30%SOC條件下的內(nèi)阻小。故電池的使用電量建議為30%SOC~90%SOC 區(qū)間。

2.6 單體一致性

受限于現(xiàn)有的及未來一段時間內(nèi)單體電池的電壓和容量，必須將成百上千個單體電池串并聯(lián)形成電池組后才能滿足電動汽車的功率和能量需求[4]。然而電池必然存在的不一致性會導(dǎo)致電池組的性能大幅度降低[5]。

同一批次生產(chǎn)的兩個單體電芯，因生產(chǎn)工藝誤差、使用環(huán)境差異等，其性能也不可能完全一致；在使用過程中這種不一致性會逐漸擴(kuò)大，可能會出現(xiàn)過充、過放和局部過熱的危險，嚴(yán)重時影響到電池組的使用壽命和安全。

直接評價單體電池一致性的參數(shù)主要是重量、電壓、容量和能量。本文的一致性評價標(biāo)準(zhǔn)為極差和標(biāo)準(zhǔn)差，計算A1~D2電池的一致性極差和標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表4及表5。

表4 電池一致性（極差）

表5 電池一致性（標(biāo)準(zhǔn)差）

圓柱形三元鋰電池18650電池和21700電池的一致性差別不大，極差和標(biāo)準(zhǔn)差值均較小，說明目前電池的一致性較好，可滿足電動汽車使用需求。

2.7 安全性能

動力電池安全性是決定產(chǎn)品能不能應(yīng)用的首要因素，其中過充、短路、針刺、擠壓是三元鋰電池的短板。A1~D2電池的安全性測試結(jié)果如表6。

表6 安全性能

18650電池和21700電池過充和短路都是不爆炸、不起火，但是不管是18650還是21700針刺均出現(xiàn)了起火現(xiàn)象，21700電池安全性表現(xiàn)和18650電池一致。

3 結(jié)論

本文對市面上主流廠商的18650三元鋰電池與21700三元鋰電池進(jìn)行性能測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同一電池廠家的18650電池與21700電池相制造工藝、電池材料、生產(chǎn)環(huán)境都是一致的，性能表現(xiàn)一致，如倍率充電性能、倍率放電性能、高低溫性能等。21700電池的能量密度、倍率放電性能、存儲性能較優(yōu)，認(rèn)為21700電池更適用于電動汽車。

[1] 張友龍,袁文強(qiáng),芮凱,朱成燕.純電動汽車動力電池技術(shù)研究[J]. 新能源汽車,2018.17.008.

[2] 連麗玲.動力電池標(biāo)準(zhǔn)體系探析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化,2017(16):20~21.

[3] 李景.電動汽車消費(fèi)仍需擺脫“里程焦慮”[N].經(jīng)濟(jì)日報,2018-6-15. 第6版.

[4] 張華輝,齊鉑金,袁學(xué)慶,等.鋰離子電池組合前后的特性研究[J]. 電池,2007,37(4) :294-296.

[5] 郭光朝,李相俊,張亮,等.單體電壓不一致性對鋰電池儲能系統(tǒng)容量衰減的影響[J].電力建設(shè), 2016(11):23-28.

Performance analyse of cylindrical ternary lithium battery for Electric Vehicle

Zhang Yanmei

( Fujian Automobile Industry Group Yudo New Energy Automobile Co., Ltd., Fujian Putian 351100 )

The 18650 cylindrical ternary lithium batteries have extensive used in electric vehicles. 21700 cylindrical ternary lithium battery has become the research hotspot due to the demand of long vehicle driving rang. The high energy density ternary lithium battery is the development direction of current power batteries. The energy density, charge and discharge efficiency, charge and discharge rates performance, high and low temperature performance, storage performance and safety of the 18650 and 21700 cylindrical ternary lithium batteries was tested due to the need of electric vehicles. The 18650 battery and 21700 battery performance are consistent of same battery manufacturer's, such as charge rates performance, discharge rates performance, high and low temperature performance. The energy density, discharge rates performance and storage performance of the 21700 battery are superior. It is considered that the 21700 battery has a great advantage for electric vehicles.

Ternary lithium battery; 18650 battery; 21700 battery; Performance analyse

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1671-7988(2019)09-35-04

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張燕梅，女，碩士，中級工程師，就職于福建省汽車工業(yè)集團(tuán)云度新能源汽車有限公司，從事新能源汽車動力電池系統(tǒng)研究工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.09.010