磷酸鐵鋰動(dòng)力電池備電工況壽命試驗(yàn)研究及分析

劉仕強(qiáng)，王 芳，馬天翼，林春景，白廣利，韋 振，陳立鐸

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津市電動(dòng)汽車評(píng)價(jià)技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

磷酸鐵鋰動(dòng)力電池以其長壽命、低自放電率等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]。相比于三元材料鋰離子動(dòng)力電池，磷酸鐵鋰動(dòng)力電池質(zhì)量比能量稍低，但是其安全性更加優(yōu)越，尤其在商用車和大巴車、公交車等車型中占主導(dǎo)地位[6]。

隨著車輛使用時(shí)間的增加，動(dòng)力電池的性能逐漸劣化，當(dāng)其容量衰減至初始容量的80%時(shí)，即認(rèn)定其無法滿足車輛領(lǐng)域的要求，需要從車載領(lǐng)域退役。然而，該使用周期的容量使用率僅占全生命周期的36%左右，若直接進(jìn)入材料回收階段，將產(chǎn)生極大的浪費(fèi)。故政府發(fā)布了《新能源汽車廢舊動(dòng)力蓄電池綜合利用行業(yè)規(guī)范公告管理暫行辦法》[7]，要求貫徹“先利用，再回收”的原則，優(yōu)先開展再利用工作。

目前行業(yè)內(nèi)針對(duì)鋰離子動(dòng)力電池壽命的研究已經(jīng)開展了深入細(xì)致的研究，對(duì)鋰離子電池的循環(huán)壽命和日歷壽命都有了大量的研究成果[8-9]。但是針對(duì)特殊場(chǎng)景的使用壽命研究偏少，ASAKURA等[10]針對(duì)備電電源場(chǎng)景開展了鈷酸鋰電池的使用壽命研究工作，發(fā)現(xiàn)溫度和浮充電壓均是影響壽命的關(guān)鍵因素。此外，目前的壽命研究工作更多的偏重于第一階段的車載工況[11-16]，針對(duì)退役電池的二次利用工況使用壽命的研究偏少，SWIERCZYNSKI等[17]以2.5A·h磷酸鐵鋰電池開展了固定場(chǎng)景的日歷壽命研究和驗(yàn)證工作，然而文中的二次再利用工況參數(shù)的選取與實(shí)際情況有差異，并且試驗(yàn)方案中溫度和SOC影響因素的設(shè)定與實(shí)際工況有差異。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本工作通過調(diào)研分析，確定基站備電工況的工況需求，并建立模擬工況，以實(shí)際車用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為測(cè)試對(duì)象，就基站備電工況下的二次使用周期開展深入研究和驗(yàn)證工作，充分考慮實(shí)際工況中電壓和溫度的影響，建立以溫度因素和電壓因素為測(cè)試矩陣，借助溫度因子開展溫度梯度加速老化測(cè)試，獲取樣品在備電工況下的老化壽命模型。以備電工況老化壽命研究結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合不同備電工況的需求，建立不同工況需求的指導(dǎo)方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)樣品

本文選取電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，開展樣品在備電工況下的壽命驗(yàn)證試驗(yàn)，旨在研究和驗(yàn)證樣品從車載工況退役后壽命變化情況，表1為試驗(yàn)樣品信息。

表1 試驗(yàn)用樣品信息Table 1 Battery cell information

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文以美凱麟（MCT 8-100/10-05）充放電設(shè)備和巨貿(mào)儀器（ETH-1000-40-CP-AR）恒溫恒濕箱構(gòu)建測(cè)試平臺(tái)，以恒溫恒濕箱提供溫度梯度環(huán)境，以單體充放電設(shè)備提供恒壓狀態(tài)，測(cè)試示意圖如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)工況

本試驗(yàn)驗(yàn)證的備電工況是將動(dòng)力電池作為備用電源使用，當(dāng)發(fā)生斷電情況時(shí)，備用電源能夠及時(shí)輸出電力，保證用電設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其工況如圖2所示。

該工況的詳細(xì)過程如下：

t0～t1：電網(wǎng)向電池系統(tǒng)充電，恒流充電，系統(tǒng)電壓升高；

t1～t2：電網(wǎng)向電池系統(tǒng)充電，恒壓充電，系統(tǒng)電壓保持不變，充電電流逐漸變??；

t2～t3：電網(wǎng)向電池系統(tǒng)持續(xù)充電，浮充階段，系統(tǒng)電壓保持不變；

t3～t4：電網(wǎng)停電，電池系統(tǒng)放電維持基站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行，恒流放電，系統(tǒng)電壓下降；

t4～t5：電網(wǎng)恢復(fù)供電，電池系統(tǒng)靜置；

t5：電網(wǎng)向電池系統(tǒng)充電，同t0時(shí)刻。

1.4 試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)主要包括兩個(gè)主要部分：一是性能參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)；二是溫度和恒壓充電電壓雙因素下單體電池工況試驗(yàn)。其中性能參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)包括放電容量標(biāo)定試驗(yàn)和內(nèi)阻標(biāo)定試驗(yàn)，詳細(xì)流程如圖3所示。

2 結(jié)果與討論

在本試驗(yàn)中，不同溫度相同恒壓充電電壓工況和不同恒壓充電電壓相同溫度工況的試驗(yàn)同步開展，通過對(duì)兩種影響因素的綜合研究與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池備電工況壽命驗(yàn)證分析。

2.1 不同溫度相同恒壓充電電壓工況

在該工況下，試驗(yàn)設(shè)定樣品以3.5 V電壓在不同溫度環(huán)境下恒壓充電10天，然后每隔相同時(shí)間開展性能參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，分析放電容量和直流內(nèi)阻等參數(shù)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)中以1/3 C（8.33 A）電流進(jìn)行放電容量測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4中可以看出，在不同溫度下，樣品的放電容量保持率呈明顯的線性衰減趨勢(shì)，溫度越高，衰減速率和幅值越大。對(duì)不同溫度下樣品的放電容量保持率進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如表2所示。

為進(jìn)一步研究溫度對(duì)樣品放電容量的影響，本文進(jìn)一步研究了容量保持率衰減率b與溫度的關(guān)系，如圖5所示。

從圖5中可以看出，放電容量保持率衰減率b與溫度之間有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，其規(guī)律符合式（1）

式中，y0、A、R0均為常數(shù)；T為試驗(yàn)溫度，K。

表2 不同溫度下樣品放電容量保持率擬合結(jié)果Table 2 Fitting results of discharge capacity retention rate at different temperatures

圖5中的紅色曲線為擬合曲線，從擬合結(jié)果的R2值可以看出，該擬合結(jié)果具有較高的置信度。

綜合分析可得，樣品在不同溫度相同電壓工況下的放電容量衰減規(guī)律為

式中，a、b、c、R0均為常數(shù)；t為試驗(yàn)時(shí)間；T為試驗(yàn)溫度，K。

本文參考FreedomCAR的混合功率脈沖（HPPC）測(cè)試進(jìn)行樣品內(nèi)阻參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6是相同恒壓充電電壓不同溫度工況下樣品的放電直流內(nèi)阻變化曲線。從圖中可以看出，不同溫度條件下樣品的放電直流內(nèi)阻變化趨勢(shì)有明顯差異。在25℃條件下，樣品的直流內(nèi)阻呈波動(dòng)狀態(tài)，試驗(yàn)前后無明顯增長。在35℃條件下，樣品的直流內(nèi)阻呈增大趨勢(shì)。在45℃和55℃條件下，樣品的放電直流內(nèi)阻呈明顯的增長趨勢(shì)，增長規(guī)律比較一致。

本文對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合分析，發(fā)現(xiàn)除25℃，其他溫度條件下樣品的直流內(nèi)阻變化規(guī)律符合式（3）

式中，y1、A1、B1均為常數(shù)。

結(jié)合阿倫尼烏斯公式，對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)公式中的常數(shù)B1與溫度T呈一定的線性關(guān)系。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析后，得到放電直流內(nèi)阻的衰減規(guī)律為

綜合放電容量衰減規(guī)律和直流內(nèi)阻衰減規(guī)律，對(duì)樣品在不同溫度條件下備電工況壽命進(jìn)行估算，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溫度相同恒壓充電電壓條件下備電工況壽命估算結(jié)果匯總Table 3 Summary of life estimation results of backup applications under different temperature

從表3中可以看出，隨著溫度的升高，相同樣品的備電工況壽命明顯縮短。說明，溫度對(duì)電池的老化起到了加速的作用。因此，在實(shí)際使用過程中，需要對(duì)使用環(huán)境溫度進(jìn)行控制，保證電池系統(tǒng)在合適的環(huán)境溫度下工作。

2.2 相同溫度不同恒壓充電電壓工況

在該工況下，試驗(yàn)設(shè)定樣品在25℃環(huán)境下以不同的恒壓充電電壓進(jìn)行恒壓充電10天，然后開展性能參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，分析放電容量和直流內(nèi)阻等參數(shù)的變化規(guī)律。

試驗(yàn)中以1/3 C（8.33 A）電流進(jìn)行放電容量測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

從圖7中可以看出，所有工況下樣品的放電容量保持率均呈現(xiàn)高度線性衰減趨勢(shì)。在試驗(yàn)開始時(shí)，各工況的差異較小，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，工況間有一定的差異，但是明顯小于不同溫度的工況。對(duì)各工況下樣品的放電容量保持率進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如表4所示。

表4 相同溫度不同恒壓充電電壓下樣品放電容量保持率擬合結(jié)果Table 4 Fitting results of discharge capacity retention rate at different voltage

從表4中可以看出，R2值表明擬合結(jié)果與實(shí)際曲線吻合度極高。在不同的恒壓充電電壓條件下，樣品的放電容量保持率衰減率有一定的差異，但是差別極小，明顯小于不同溫度對(duì)放電容量保持率的影響。

從圖8中可以看出，在溫度相同條件下，當(dāng)充電電壓不同時(shí)，樣品的放電直流內(nèi)阻增長呈現(xiàn)了不同的趨勢(shì)。當(dāng)充電電壓為3.5 V時(shí)，樣品的內(nèi)阻呈波動(dòng)狀態(tài)，無明顯增長趨勢(shì)。當(dāng)充電電壓為3.55 V和3.6 V時(shí)，樣品的內(nèi)阻增長趨勢(shì)基本一致，呈線性增長。當(dāng)充電電壓為3.65 V時(shí)，樣品的內(nèi)阻呈現(xiàn)了非線性增長的趨勢(shì)，而且增長的幅值明顯大于其他條件。綜上，在溫度相同的工況下，樣品的內(nèi)阻增長隨著充電電壓的增高呈嚴(yán)重趨勢(shì)。

綜合放電容量衰減規(guī)律和直流內(nèi)阻衰減規(guī)律，對(duì)樣品在相同溫度條件不同恒壓充電電壓條件下的備電工況壽命進(jìn)行估算，結(jié)果如表5所示。

表5 相同溫度不同恒壓充電電壓條件下備電工況壽命估算結(jié)果匯總Table 5 Summary of life estimation results of backup applications under different voltage

綜上所述，在相同溫度條件下，樣品的放電容量呈線性衰減趨勢(shì)，不同充電電壓對(duì)放電容量的影響較小。但是在不同充電電壓條件下，樣品的放電直流內(nèi)阻呈現(xiàn)了不同的趨勢(shì)，隨著充電電壓的變高，內(nèi)阻的增長趨勢(shì)發(fā)生變化，并且增長幅值變大。

在備電工況下，放電容量是備電電池系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)，決定其持續(xù)輸出能力；放電直流內(nèi)阻是備電電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，決定其瞬態(tài)輸出能力。因此，根據(jù)備電工況的主要用途，可以綜合考慮使用方式。對(duì)于以穩(wěn)定持續(xù)輸出電能為主的工況，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定電壓，并控制舒適的環(huán)境溫度；對(duì)于以瞬態(tài)短時(shí)輸出能力為主的工況，建議在滿足需求的情況下降低充電電壓。

3 結(jié)論

本文以25 A·h磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為測(cè)試對(duì)象，基于通信基站備電工況開展了可用周期試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)，以環(huán)境溫度和恒壓充電電壓作為影響因素，詳細(xì)分析了不同因素對(duì)備電工況可用壽命的影響，并得到樣品的預(yù)計(jì)可用周期，對(duì)退役動(dòng)力電池在備電工況的再利用給出了明確的指導(dǎo)方案：

（1）溫度對(duì)備電工況的可用周期影響較大，溫度變高，可用壽命明顯縮短；

（2）恒壓充電電壓對(duì)備電工況的可用容量影響較小，對(duì)樣品的直流內(nèi)阻有一定的影響。電壓變高，樣品的直流內(nèi)阻增長趨勢(shì)加劇；

（3）在實(shí)際使用過程中，對(duì)于容量指標(biāo)要求比較高的場(chǎng)景，需要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度；對(duì)于內(nèi)阻和功率等動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求比較高的場(chǎng)景，需要對(duì)溫度和恒壓充電電壓均進(jìn)行控制。