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電動(dòng)車(chē)磷酸鐵鋰電池衰減后開(kāi)路電壓特性分析

2022-02-12 19:53:21·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：韓雪冰等  
　
文章來(lái)源：清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室由于能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展非常迅速，尤其是純電動(dòng)車(chē)。動(dòng)力電池是電動(dòng)車(chē)最關(guān)鍵的部件之一，電動(dòng)車(chē)
文章來(lái)源：清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
由于能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展非常迅速，尤其是純電動(dòng)車(chē)。動(dòng)力電池是電動(dòng)車(chē)最關(guān)鍵的部件之一，電動(dòng)車(chē)上使用的動(dòng)力電池包括鉛酸電池、氫鎳電池、及鋰離子電池等。由于鋰離子電池比能量和比功率比較高，壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)等，因此鋰離子電池成為電池的主流發(fā)展方向。鋰離子電池中，磷酸鐵鋰電池由于安全性較好，價(jià)格低廉，環(huán)境友好，高溫循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用于目前的電動(dòng)車(chē)。
電動(dòng)車(chē)上，為了更好地使用電池，需要有電池管理系統(tǒng)(BMS)來(lái)管理電池，通過(guò)適當(dāng)?shù)碾姵毓芾硭惴?，估?jì)電池的狀態(tài)，包括電池的荷電狀態(tài)SOC，健康狀態(tài)SOH，功能狀態(tài)SOF，儲(chǔ)能狀態(tài)SOE等等，從而更好的利用電池。而B(niǎo)MS管理算法的核心之一即為描述電池電流和端電壓關(guān)系的電池模型。
電池模型的核心參數(shù)包括電池的容量，電池的阻容參數(shù)，還有電池的開(kāi)路電壓特性。通常認(rèn)為電池開(kāi)路電壓是電池荷電狀態(tài)SOC的函數(shù)。不同SOC下，電池的開(kāi)路電壓不同。對(duì)于新電池來(lái)講，電池模型的這些參數(shù)可以通過(guò)電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到。但是隨著電動(dòng)車(chē)的運(yùn)行，電池充放電循環(huán)次數(shù)增加，電池會(huì)逐漸老化，電池模型的參數(shù)也會(huì)隨之變化。對(duì)于電池的容量和電阻等隨電池的老化的變化情況已經(jīng)有較多研究。而由于衰減前后，電池內(nèi)部的正負(fù)極活性物質(zhì)不變，通常認(rèn)為隨著電池的老化，電池的開(kāi)路電壓與SOC關(guān)系保持不變。
本文在不同的循環(huán)工況下對(duì)車(chē)用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行充放電循環(huán),通過(guò)容量測(cè)試得到不同循環(huán)次數(shù)后電池的容量衰減情況,通過(guò)HPPC測(cè)試得到不同容量衰減情況下的電池開(kāi)路電壓情況[3]。進(jìn)而分析和比較電池不同容量衰減情況下,電池的開(kāi)路電壓曲線變化情況。各節(jié)電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，磷酸鐵鋰電池開(kāi)路電壓相對(duì)于電池SOC的關(guān)系有較大的變化，而相對(duì)于電池可用電量的關(guān)系變化較小。由于電池衰減主要機(jī)理為可用鋰離子的損失，在高電量區(qū)域電池開(kāi)路電壓曲線平臺(tái)隨容量衰減而逐漸消失，在低電量區(qū)域電池開(kāi)路電壓基本不變。結(jié)果可用于指導(dǎo)實(shí)車(chē)電池開(kāi)路電壓曲線的標(biāo)定。
1實(shí)驗(yàn)對(duì)象
以標(biāo)稱6.5Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池單體為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，實(shí)驗(yàn)設(shè)備UBT100-020-8ME電池實(shí)驗(yàn)臺(tái)和高低溫實(shí)驗(yàn)箱，進(jìn)行了電池的循環(huán)耐久性實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試了不同衰減情況下的電池基本性能。
具體而言，循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)采用了2節(jié)相同的磷酸鐵鋰電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行充放電循環(huán)，分別編號(hào)為電池1和電池2。循環(huán)充電倍率選擇為1C，放電倍率選擇為2C。放電截止電壓為2.0V，電池1充電截止電壓為3.65V，電池2充電截止電壓為3.85V。為加速電池衰減，選擇電池充放電環(huán)境溫度為50℃。
每經(jīng)過(guò)90次循環(huán)，測(cè)試電池的標(biāo)準(zhǔn)性能，包括電池的標(biāo)準(zhǔn)容量測(cè)試和HPPC測(cè)試。
電池標(biāo)準(zhǔn)容量測(cè)試具體為：將電池充分靜置于25℃下，將電池以1/3C恒流充電至截止電壓3.65V，再恒壓充電至電流小于1/20C；靜置1h；以1/3C恒流放電至放電截止電壓2.0V；重復(fù)3次取放電容量平均值作為電池此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)容量值。
HPPC測(cè)試方法即為混合脈沖功率特性階躍法，可以測(cè)試電池的容量和開(kāi)路電壓。實(shí)驗(yàn)步驟為：將電池充滿電，即調(diào)整電池SOC為100%；靜置3h，測(cè)量此時(shí)電池的端電壓作為電池當(dāng)前SOC下的開(kāi)路電壓；分別給電池施加選定倍率的充電脈沖和放電脈沖，并測(cè)量電池的相應(yīng)電壓，從而獲得電池當(dāng)前SOC下的充電內(nèi)阻情況和放電內(nèi)阻，如圖1所示；調(diào)整電池SOC至90%，相同方法測(cè)試電池的開(kāi)路電壓和內(nèi)阻特性；重復(fù)以上過(guò)程直至電池SOC為0。HPPC測(cè)試電壓電流曲線如圖2所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池逐漸老化，電池容量逐漸衰減，各節(jié)電池的容量衰減情況如圖3所示。
通常電池的開(kāi)路電壓認(rèn)為是電池SOC的函數(shù)，以電池1為例，可以繪制不同衰減情況下，其開(kāi)路電壓與SOC關(guān)系如圖4所示。
可見(jiàn)隨著電池容量的衰減，電池的開(kāi)路電壓與SOC關(guān)系曲線有較明顯的變化。特別是電池在SOC約80%左右電壓平臺(tái)隨著電池的逐漸老化而逐漸消失。
而目前還沒(méi)有文獻(xiàn)明確地指出電池開(kāi)路電壓曲線隨著電池衰減的變化情況。尤其在實(shí)車(chē)應(yīng)用情況下，通常均認(rèn)為電池的開(kāi)路電壓不隨電池衰減而變化。然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好相反，如果不考慮電池開(kāi)路電壓的變化情況，電池模型就無(wú)法準(zhǔn)確的描述電池特性，也無(wú)法準(zhǔn)確的估計(jì)電池的狀態(tài)及提出合理的管理算法。為了對(duì)電池衰減后的開(kāi)路電壓進(jìn)行細(xì)致的分析，需要簡(jiǎn)要分析電池的衰減機(jī)理。
2.2電池衰減機(jī)理分析
鋰離子電池又被稱為搖椅電池，在電池充電的時(shí)候，可用鋰離子從正極脫嵌，穿過(guò)隔膜嵌入負(fù)極材料；而電池放電的時(shí)候，鋰離子從負(fù)極脫嵌，穿過(guò)隔膜嵌入正極材料。則容易知道電池的容量由電池的正極活性材料、負(fù)極活性材料和可用鋰離子決定。則電池的容量衰減機(jī)理也可以歸結(jié)為電池的正負(fù)極活性材料損失和可用鋰離子的損失。
M.Kassem對(duì)商業(yè)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)對(duì)衰減后電池正負(fù)極材料電化學(xué)分析，結(jié)果表明對(duì)于商業(yè)磷酸鐵鋰電池來(lái)講主要衰減機(jī)理是由于負(fù)極SEI膜增長(zhǎng)等導(dǎo)致的可用鋰離子的損失，而其正負(fù)極活性材料損失較少。
電池SOC不同即代表了電池正負(fù)極材料中鋰離子濃度的不同，即對(duì)應(yīng)于電池正負(fù)極不同的平衡電勢(shì)。而電池的開(kāi)路電壓可以簡(jiǎn)單地建模如公式(1)所示。
V=Up-Un(1)
式中：V為電池的開(kāi)路電壓，Up為電池正極的電勢(shì)，Un為電池負(fù)極的電勢(shì)。
對(duì)于常用的正極為磷酸鐵鋰，負(fù)極為石墨的動(dòng)力電池，其電池開(kāi)路電壓與正負(fù)極電勢(shì)示意圖如圖5所示。整個(gè)充電過(guò)程中，磷酸鐵鋰正極電勢(shì)基本變化很小，而石墨負(fù)極主要有三個(gè)平臺(tái)，代表了三個(gè)相變過(guò)程，在圖中以I，II，III標(biāo)示。則電池的開(kāi)路電壓曲線也會(huì)有相應(yīng)三個(gè)平臺(tái)。
常用的磷酸鐵鋰電池，其主要的衰減機(jī)理是可用鋰離子的損失，則衰減后的情況如圖5所示，可見(jiàn)在只有可用鋰離子損失的情況下，對(duì)應(yīng)電池開(kāi)路電壓曲線平臺(tái)I會(huì)有相應(yīng)的明顯減少。而電壓平臺(tái)II和III變化較少。
2.3電池衰減后開(kāi)路電壓討論
根據(jù)2.2節(jié)電池衰減機(jī)理的分析，從電池建模的角度，通常認(rèn)為電池開(kāi)路電壓是電池SOC的單值函數(shù)；但是從電池衰減的角度來(lái)看，為了更好地觀察電池開(kāi)路電壓變化情況，應(yīng)該繪制開(kāi)路電壓與電池內(nèi)部剩余電量的關(guān)系圖。
電池1開(kāi)路電壓與電池內(nèi)部電量關(guān)系隨電池衰減的變化情況如圖6所示。可見(jiàn)隨著電池循環(huán)次數(shù)增加，電池容量減少，而電壓平臺(tái)II和III區(qū)域，亦即電量0～6Ah范圍內(nèi)，電池的開(kāi)路電壓基本保持不變。
而電池電壓平臺(tái)I處電池開(kāi)路電壓曲線變化情況如圖7所示，可見(jiàn)，隨著電池容量的衰減，對(duì)應(yīng)電池開(kāi)路電壓曲線變化恰如2.2節(jié)分析，電壓平臺(tái)I逐漸消失。通過(guò)簡(jiǎn)單的標(biāo)定，即可以根據(jù)電池的容量衰減情況，分析得到電池的開(kāi)路電壓變化情況。
電池2開(kāi)路電壓隨著容量衰減的變化情況分析也有類(lèi)似的結(jié)果，如圖8所示，其平臺(tái)II和III基本沒(méi)有變化，而平臺(tái)I則表現(xiàn)出了明顯的衰減，與電池1的結(jié)果相同，從而可以驗(yàn)證之前的結(jié)論。
通過(guò)本節(jié)的分析，可以得到電池開(kāi)路電壓和電池電量關(guān)系變化情況。在對(duì)電池開(kāi)路電壓和電量關(guān)系精確估計(jì)的基礎(chǔ)上，容易得到電池開(kāi)路電壓和SOC的關(guān)系曲線，從而用于車(chē)用BMS的電池模型和管理算法。
此分析方法也可在汽車(chē)上實(shí)現(xiàn)。基于對(duì)電池容量衰減機(jī)理的分析，在汽車(chē)上，通過(guò)對(duì)電池正負(fù)極活性材料和可用鋰離子的衰減情況，即分析得到電池的開(kāi)路電壓變化情況。
3總結(jié)
對(duì)車(chē)用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行了耐久性測(cè)試，分析了不同衰減情況下，電池的開(kāi)路電壓曲線變化情況。
在不同的循環(huán)工況下對(duì)電池進(jìn)行充放電循環(huán),通過(guò)容量測(cè)試得到不同循環(huán)次數(shù)后電池的容量衰減情況,通過(guò)HPPC測(cè)試得到不同容量衰減情況下的電池開(kāi)路電壓情況。各節(jié)電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，磷酸鐵鋰電池開(kāi)路電壓相對(duì)于電池內(nèi)電量的關(guān)系基本不變，而由于電池衰減主要機(jī)理為可用鋰離子的損失，在高電量區(qū)域的開(kāi)路電壓曲線平臺(tái)隨容量衰減而逐漸消失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于指導(dǎo)汽車(chē)電池開(kāi)路電壓曲線的標(biāo)定。
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