一款電動汽車用鋰離子電池循環過程中的性能研究

龔明光　朱強　范恒斌

摘 要：以一款市售的40Ah三元離子電池為研究對象，研究其在充放電循環過程一致性的變化、高低溫放電性能以及倍率充放電性能。結果表明，隨著循環次數的增加，樣品的容量一致性變差，低溫特性和倍率充電性能變差，而高溫放電特性和倍率放電性能基本無衰減。

關鍵詞：鋰離子電池 循環 性能

Study on the Performance of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle during Cycling Test

Gong Mingguang Zhu Qiang Fan Hengbin

Abstract：A 40Ah ternary lithium-ion battery was used as the research object to study its consistency change， high and low temperature discharge performance and rate charge and discharge performance during the charging and discharging cycle. The results show that with the increase of the number of cycles， the consistency of the sample capacity becomes worse， the low temperature characteristic and the rate charge performance become worse， while the high temperature discharge characteristic and the rate discharge performance are basically not attenuated

Key words：lithium-ion battery， cycle， performance

1 引言

近幾年來，新能源動汽車產業蓬勃發展，動力鋰離子電池作為電動汽車的主要動力來源，在整車應用中仍然占據最重要的位置之一[1-3]，電池性能的優劣仍然直接影響電動汽車的整體性能。然而隨著電動汽車數量的增加以及電池系統的能量密度不斷攀升，電動汽車的電性能投訴率以及起火事故逐步增加，其中續航里程是其中一個重要的電性能投訴焦點。目前針對動力鋰離子電池性能研究較多的仍然是集中在未經過充放電的新鮮電池以及壽命末期的電性能和安全性能[4-5]，而在充放電循環過程中疊加溫度特性和倍率充放電特性的研究相對較少。

本文以一款市售的40Ah三元鋰離子電池為研究對象，研究其在循環前后以及循環過程中的容量一致性、倍率充放電以及高低溫放電性能的變化規律。

2 試驗方法

2.1 試驗對象和搭建測試平臺

本文選擇一款電動汽車用40Ah三元離子方形鋁殼電池，其正極材料為鎳鈷錳三元，負極為人造石墨，電池標準充放電電流倍率均為1C。電池電性能測試平臺主要包括電池充放電測試設備、環境箱和數據采集設備，其中電池充放電測試設備為青島迪卡龍，型號MCY100-05-8ME，電壓量程0～50V，電流量程1～100A，環境箱廠家為無錫南亞，溫度范圍-40～120℃，溫度波動度±2℃，數據采集設備為日置LR8400-21，用于采集試驗過程中的溫度。采用型號日置內阻儀測試電池在1kHz下的交流內阻。

2.2 試驗流程

室溫條件，首先對6組樣品進行初始電性能測試，電性能測試包括不同充放電倍率對應的充放電容量測試、滿電態內阻測試、倍率充放電和高低溫容量測試，然后進行充放電循環，每250次循環后進行內阻、倍率充放電和高低溫容量測試，其中充電電流倍率為2C，放電電流倍率為2.5C，低溫測試溫度為-20℃，高溫測試溫度為45℃，直到循環次數達到1000次（N=4）。

3 結果與討論

3.1 初始性能分析

3.1.1 不同放電倍率放電性能

分別采用0.1C、0.2C、0.33C、0.5C、0.75C、1C、1.5C、2C、2.5C共9種放電倍率，考察不同放電倍率條件下，樣品的放電容量。圖1中可以看出，不同樣品的放電總體趨勢是保持一致，放電容量先隨著放電倍率先增加后趨于平穩，這可能是由于隨著放電倍率的增加，放電過程中電池內部溫度上升，電池活性增加，歐姆下降，放電容量升高，而放電倍率進一步升高，放電過程中的電荷轉移極化以及離子擴散極化電阻增加，占據主導地位，導致放電容量略有降低。

進一步地，分析不同放電倍率和放電時間的關系，試驗數據繪制成圖2的曲線，6組電池樣品放電曲線一致性較高，重合度較好，命名放電倍率為C，放電時間為t，利用origin8.5數據處理軟件對測試的數據進行處理擬合，模型采用allometric1，擬合方程選擇y=a*x^b，擬合結果如表1所示，試驗結果與根據方程擬合的曲線基本吻合，只不過每個樣品的a、b值略有不同，該方程同樣符合經典的Peukert方程[6]。

3.1.2 不同充電倍率充電性能

電池的充電性能不僅和充電的溫度環境、充電倍率，而且也和電池的放電狀態有關，分別采用0.5C、1C、1.5C、2C四個充電電流倍率，放電電流倍率均為1C，研究電池在室溫條件下的充電容量和充電倍率的關系，結果如圖4所示，不同樣品的倍率充電曲線基本一致，隨著充電倍率的增加，充電容量呈現先降低后增加趨勢，1.5C充電容量為0.5C倍率充電的84.26%～85.87%。2C倍率充電容量略有升高，為0.5C倍率充電的86.27～89.99%，2C倍率的充電容量相對于1.5C略有增加，這可能歸于高倍率充電導致電池內部溫度發熱較高，歐姆電阻降低，鋰離子擴散加快導致界面電阻降低，在實際應用中，整車電池系統在進行快速充電時需解決充電過程中的熱管理問題，避免電池因過熱而發生熱失控。

3.2 循環性能

圖5為6組電池樣品在室溫條件下的循環壽命測試曲線，充電條件為1C恒流恒壓至0.05C，放電電流倍率為1C，充放電間隔30min。從圖中可知，所有測試電池樣品在室溫下循環的放電容量衰減與充放電循環次數近似線性關系，1000次循環后容量保持率在79.82%～82.79%。容量線性衰減是比較理想的衰減模型，可以更加準確的預測電池的使用壽命，計算6組樣品的標準差系統評價其充放電循環過程中的一致性，標準差計算公式如下：

其中標準差系數：

電池首次循環放電容量標準差系數為0.008，而1000次循環后，標準差系數增加至0.018，增加了約一倍，表明電池之間的放電容量一致性變差，意味著單體電池組成系統后可用容量加劇降低，從而影響整車的續駛里程。

圖6是樣品在不同循環次數后的交流內阻，顯然內阻隨著循環次數的增加而增加，相對于初始狀態，內阻最高增加約15%。內阻包含歐姆內阻和極化內阻，極化內阻又包括電荷傳遞阻抗以及鋰離子擴散阻抗。1kHz測試數據主要為歐姆內阻，SEI膜的增厚可導致歐姆內阻升高，致使電池在充放電終止電壓不變的條件下，充放電時間縮短，可用容量降低，此外歐姆內阻的升高還會導致電池產熱升高，降低電池使用過程中的熱安全性能。然而歐姆內阻并非一定是影響循環性能的主要因素，一般來說，正極與電解液界面間的電荷傳遞以及鋰離子在正負極中的擴散阻抗，也是導致循環性能惡化的重要方面[7]。

3.3 不同循環階段的倍率充放電性能

圖7和圖8分別表示6組樣品在不同循環次數后的2.5C倍率放電和2C倍率充電曲線。相對于倍率放電性能，不同充放電循環后，倍率充電衰退加劇，1000次循環后2C倍率充電容量僅為初始狀態的65%，而2.5C倍率放電容量仍能保持在96%以上。

3.4 不同循環階段的高低溫放電性能

圖9和圖10分別為電池在不同循環后的低溫和高溫放電容量，從圖中可以看出高溫放電性能受循環次數影響較小，相對于每第250次循環放電容量，高溫性能基本無明顯衰減，仍能保持在常溫容量的99%以上，而低溫性能隨著循環次數的增加，總體放電性能惡化，從初始狀態的90%～95%衰退到82.5%～87.4%。和循環性能衰減機理類似，影響電池低溫放電性能因素主要有電解液粘度增加，電解液/活性材料之間的界面膜阻抗和電荷轉移阻抗增大，以及鋰離子在活性物質本體中的遷移速率降低，由此造成低溫下電極極化加劇。隨著循環次數的增加，尤其是放電末期鋰離子擴散速率降低，界面極化電阻急劇升高，導致放電容量下降。

4 總結

通過對一款市售的車用三元鋰離子電池循環前后以及循環過程中的電性能實驗研究，對不同充放電倍率的初始放電容量，不同循環階段的倍率充放電和高低溫放電性能予以系統分析。實驗結果表明，放電倍率和放電時間符合y=a*x^b雙對數lg-lg方程。隨著充放電循環次數的增加，電池的放電容量一致性變差，倍率充電和低溫放電性能明顯下降，而倍率放電和高溫放電性能無明顯劣化。

參考文獻：

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[3]傅松威，鄭一釗，陳振族.電動汽車鋰電池的綜合探討[J]. 南方農機，2018，（22）：70.

[4]王芳，樊彬，劉仕強，張振鼎，黃炘，張文華. 汽車安全與節能學報，磷酸鐵鋰動力電池常規循環過程中安全特性[J].2014，（2）：180-184.

[5]劉磊，王芳，任山，樊彬，何興.電源技術，循環對鋰離子外部短路安全性的影響[J].2016，（10）：1920-1923.

[6]Thomas B. Reddy. Linden's Handbook of Batteries （4th Edition）[M]. 北京：化學工業出版社，2013.

[7]劉文剛，周波，王曉丹，高俊奎，劉興江. 18650型鋰離子電池的循環容量衰減研究[J]. 電源技術，2020，（3）：306-309.