鋰離子電池開路電壓溫度系數(shù)研究

朱蕾，喬雪，王瀅，邢超

（陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

前言

鋰離子動(dòng)力電池因其能量高、體積小、可靠的特點(diǎn)成為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源[1]。但由于市場的鋰離子電池廠家質(zhì)量良莠不齊，存在較大的安全隱患[2]。為了了解動(dòng)力電池在使用過程中的溫度變化需要對單體電池發(fā)熱情況進(jìn)行判斷。

本文主要從Bernardi 簡化生熱模型出發(fā)，通過測試和數(shù)學(xué)計(jì)算的方法獲得鋰離子電池的OCV 溫度系數(shù)隨SOC 的變化的多項(xiàng)式。

1 Bernardi 簡化生熱模型

式中：Q 為熱生成功率密度；U 為工作電壓；Uoc為電池的開路電壓；T 為絕對溫度；V 為電池體積。

公式（1）中右側(cè)的第一項(xiàng)為不可逆阻抗熱，并且該值總是正的；第二項(xiàng)為可逆反應(yīng)熱，這一項(xiàng)可正可負(fù)。電池發(fā)熱的主要來源為：可逆反應(yīng)熱、不可逆阻抗熱、電池內(nèi)阻副反應(yīng)熱、以及由于濃度梯度變化引起的混合熱?？赡娣磻?yīng)熱和不可逆阻抗熱是占電池發(fā)熱量的主要部分，不可以被忽略[3-4]。

2 測試過程

2.1 試驗(yàn)對象

某磷酸鐵鋰電池參數(shù)如表1 所示。

表1 電池模塊技術(shù)參數(shù)

2.2 電池測試傳感線布置

電池測試傳感線布置如圖1 所示。

2.3 試驗(yàn)用儀器及設(shè)備

表2 試驗(yàn)用儀器和設(shè)備

3 試驗(yàn)內(nèi)容

3.1 電池預(yù)充放電

在常溫狀態(tài)下，對電池進(jìn)行充放電，具體步驟如下：

（1）以0.3C（A）電流恒流充電至企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05C 時(shí)停止充電，充電后擱置1h。

（2）以0.3C（A）電流放電至單體電池的放電終止電壓，計(jì)量放電容量（以Ah 計(jì)）和放電能量（以Wh 計(jì)），放電后擱置1h。

（3）以0.3C（A）電流恒流充電至企業(yè)技術(shù)條件中規(guī)定的充電終止電壓時(shí)轉(zhuǎn)恒壓充電，至充電電流降至0.05C 時(shí)停止充電，計(jì)量充電容量（以Ah 計(jì)）和充電能量（以Wh 計(jì)），充電后擱置1h。

重復(fù)步驟（2）～（3）五次。

3.2 開路電壓溫度系數(shù)測試

測試初始狀態(tài)，電池單體為滿電狀態(tài)。

（1）調(diào)整調(diào)溫調(diào)濕箱溫度，按照25℃→15℃→5℃→35℃→25℃的順序每1.5h 變換一次溫度，并實(shí)時(shí)測量電池開路電壓和電池表面、電極溫度。

（2）溫度變化一個(gè)周期后，在室溫狀態(tài)下，以0.1C（A）放出額定容量的10%。

（3）重復(fù)步驟（1）～（2），記錄電池開路電壓和電池表面、電極溫度的變化，直至電池的SOC=0。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 電池單體預(yù)充放電測試

根據(jù)3.1 中電池預(yù)充放電中測試方法，對電池單體進(jìn)行室溫下0.3C 預(yù)充放電測試，為電池單體開路電壓溫度系數(shù)測試做好狀態(tài)準(zhǔn)備。得到電池單體充放電容量（Ah）、充放電能量（Wh）。

4.2 開路電壓溫度系數(shù)測試

根據(jù)3.2 中開路電壓溫度系數(shù)測試方法，對電池單體開展了測試。通過測試，得到電池單體在不同SOC 下，在調(diào)溫調(diào)濕箱溫度循環(huán)25℃→15℃→5℃→35℃→25℃中的開路電壓值及溫度采樣數(shù)據(jù)。

圖2 SOC=100%/0%時(shí)，電池單體在調(diào)溫調(diào)濕箱溫度循環(huán)中的開路電壓值變化情況

圖2 為電池單體在溫度循環(huán)中，SOC100%和0%下，開路電壓變化曲線。隨時(shí)間及溫度變化，試驗(yàn)測得開路電壓變化趨勢明顯。開路電壓會隨著時(shí)間的增加有一個(gè)微小的斜率，如圖2 中虛線所示，該傾角可正可負(fù)，且與溫度無關(guān)，這是由于上一次的SOC 變化所引起的電芯松弛的結(jié)果。

根據(jù)測得的不同SOC 下，開路電壓與溫度值，可計(jì)算得到不同SOC 下電池單體的開路電壓溫度系數(shù)。數(shù)據(jù)處理時(shí)，取溫度循環(huán)中，每個(gè)溫度點(diǎn)最后時(shí)刻所測得的開路電壓值及電池表面平均溫度為數(shù)據(jù)選取點(diǎn)，因?yàn)榇藭r(shí)刻電池單體在相應(yīng)溫箱溫度下保持時(shí)間相對較長，電池狀態(tài)相對穩(wěn)定。

圖3 SOC=100%/20%時(shí)，電池單體開路電壓溫度系數(shù)擬合計(jì)算

由圖3 可得到電池在不同SOC狀態(tài)下的開路電壓溫度系數(shù)測試值，通過對測試值進(jìn)行擬合可得到開路電壓溫度系數(shù)曲線方程，可為后續(xù)研究仿真計(jì)算提供依據(jù)。本次試驗(yàn)采用一個(gè)7 次方程對開路電壓溫度系數(shù)與SOC 的關(guān)系進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 中可看出開路電壓溫度系數(shù)試驗(yàn)計(jì)算值與擬合值之間的對比關(guān)系。

圖4 開路電壓溫度系數(shù)-SOC 關(guān)系曲線

5 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)測試得到電池在溫度循環(huán)中，不同SOC 下，開路電壓溫度系數(shù)變化趨勢明顯。得到以下結(jié)論：

（1）在放電過程中，SOC 在70%～100%區(qū)間，隨著SOC的降低，開路電壓溫度系數(shù)有緩慢下降；SOC 在40%～60%區(qū)間，隨著SOC 的降低，開路電壓溫度系數(shù)有較明顯上升趨勢；SOC 在0%～40%區(qū)間，隨著SOC 的降低，開路電壓溫度系數(shù)值下降趨勢明顯。

（2）當(dāng)SOC 在0%～20%區(qū)間時(shí)，開路電壓溫度系數(shù)值為負(fù)數(shù)。由于開路電壓溫度系數(shù)直接決定了電池可逆反應(yīng)熱的正負(fù)，因此電池在放電時(shí)，電池內(nèi)部反應(yīng)在SOC＜20%后是放熱反應(yīng)。