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动力型磷酸铁锂电池的温度特性


第47卷第18期
20

机械工程学报
JOURNAL 0F

Vbl.47

No.18 20 l l

11年9月

MECHANICAL

ENGMERING

S印.

DoI:lO.3901,

JME.2011.18.115

动力型磷酸铁锂电池的温度特性木
李 哲 韩雪冰卢兰光 欧阳明高
100084)

(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京

摘要:动力型磷酸铁锂电池的特性与环境温度紧密相关。电池的容量特性、内阻数值和荷电状态一开路电压曲线是反映电池
基本性能的重要特性指标,也是参与电池管理系统设计的重要参数。主要进行不同环境温度下电池的以上各性能试验,研究 在不同的环境温度下电池的容量、内阻和开路电压的变化规律。动力型磷酸铁锂电池的容量在低温下迅速降低,在高温下迅 速上升,高温下的容量变化速度小于低温;随温度上升,充电和放电过程的欧姆内阻、极化内阻均下降,温度不同时电池的

欧姆内阻变化率高于极化内阻变化率,低温下欧姆内阻的变化率大于高温下的变化率:同时,低温下的荷电状态一开路电压
曲线低于高温下的曲线,但总体上,曲线受温度的影响并不显著。 关键词:磷酸铁锂电池温度容量内阻开路电压 中图分类号:U4“

’I’emperature Characteristics of Power LiFeP04 Batteries
LI Zhe

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C叩∞ity

R嚣i蚰m∞Open cil吼Iit Volt唱e(OCV)

0前言
电池所处的温度受到许多因素的影响,如环境 温度、电池本身的热力学参数以及电池组的装配和 热管理方法等114】。同时,电池的容量特性、内阻数 值和开路电压曲线是反映电池基本性能的重要指 标,也是参与电池管理系统设计的重要参数:电池 容量大小的变化规律【6】影响电池的寿命管理和荷电 状态估算。电池内阻的数值影响动力电池的功率特

性,如式(1)、(2)所示,同时也影响电池热管理系统 对电池产热量的分析,如式(3)所示。
动力电池最大电流与功率分别为 (1) (2)

式中,k为电池的最大放电电流,【,为电池的开
路电压,“nin为电池的放电截止电压,冠为电池在
放电过程中的总内阻,只眦为电池的最大放电功率。

电池的产热情况与电流和电池内阻有关,如式
?台达电力电子科教发展计划重点资助项目(200930∞329).20l∞90l 收到初稿,20110320收到修改稿

(3)所示

万方数据

116

机械工程学报

第47卷第18期

皱=,2足
式中,敛为电池的产热率,,为流经电池的电流,
风为电池的总内阻。
2 孟




而电池的开路电压(op钮c疵uit vol蚀e,OCV) 曲线可以用于电池荷电状态(龇她of charge,SOC)
的校准,图1是某磷酸铁锂电池的SOC.OCV曲线,



枷-20
图2



20





可以利用这一曲线用OCV的数值对SOC进行校 正【丌,该校正对提高电池SoC估算的准确性有着重 要意义。因此,了解以上三个电池特性在不同环境 温度下的改变规律,可以更好地了解电池性能、设 计管理系统【8-9】。

温度∥℃

LiFe鼽锂离子电池容量随环境温度的变化

可知,低温下,电池容量衰减得极快,而在常 温左右,容量随着温度升高而增长,其速率相对低 温下较慢。-柏℃时,电池的容量仅为标称值的l/3, 而在O℃到60℃,电池的容量从标称容量的80% 升至llO%。 将电池的容量变化与温度进行拟合,得到 fc=一5.069 74×exp(一p/55.90333)+14.03729 IR2=O.99784
~ 、

式中,C是电池容量,p是温度,R2是该拟合的相
关系数。
荷电状态Sc



.1

3环境温度对电池内阻的影响
测量电池内阻采用混合脉冲功率特性阶跃 法【lo】,试验步骤如下。
(1)将电池放电至空。

图1

某磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线

1试验对象

(2)静置l h,测量开路电压OcV,记录数据

(天津产)为试验对象,采用DI㈣ON牌
E、,1.500.500.80

以3.2

V/1l

A?h磷酸铁锂动力电池单体

(OCV数据供步骤(4)中使用,下同)。
(3)用l/3 C(即3.67 A)充电电流为电池充电,

kw.IGBT电池试验台(德国产)和某

调整SOC值至O.025,在这个过程中,记录电池充
电前lO s中的电池电压变化,通过这些电压值和式

国产高低温试验箱,分别进行了不同环境温度下电 池容量、电池充放电内阻和电池开路电压曲线的
测试。

(4)~(7),计算得到电池在SoC值为O状态下的充 电内阻,包括欧姆内阻和总内阻的数值。
(4)用l/3 C(即3.67 A)充电电流将电池充电, 调整SOC值分别至0.05、0.075、0.1、0.2、O.3、O.4、 0.5、0.6、O.7、O.8、O.9和1.O附近,重复第(2)、(3)

2环境温度对电池容量的影响
将充满电的电池分别置于不同的环境温度中 放电,讨论放出的容量与环境温度的关系。充电方
法为,将电池以l,3 C恒流充电至电压到达3.65
V,

步骤,即得到不同SOC情况下电池的充电内阻和开 路电压OCV。另外,在SOC较大时,尤其是在 lO℃这一较低温度下,电池的内阻非常大,此时需
要将电池的充电电流降至l/5 C,以保证能够充入电 量并保护电池安全。 (5)完成充电电阻测量后,用l/3 C(即3.67 A)

改为恒压充电直至电流下降到l A,停止充电。放 电方法为,在环境温度中静置l h,再以l/3 C恒流

放电直到电压下降到2.V为止,计算放出的容量。 将同一型号的6块磷酸铁锂电池分别置于 _40℃、.20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下进行 放电过程,电池放出的容量如图2所示。

电流放电,分别调整电池的SOC值至O.9、0.8、O.7、
0.6、0.5、O.4、0.3、O.2、0.1、O.075、O.05、0.025、

O,同(2)、(3)步骤中方法,即得到不同SOC情况下,

万方数据

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电池的放电内阻和开路电压OCV。另外,在SOC 较小时,尤其是在10℃这一较低温度下,电池的 内阻非常大,需要将电池的放电电流降至1/5 C,以 保证必需的放电持续时间和电池安全。这一步骤的
示意图如图3、4所示。

的端电压变化量,缸、她为充电和放电阶跃输入
前后电池流经的电流变化量,矾、醍、矾、砜、巩、 玩分别为点l、2、3、4、5、6对应的电池端电压,
厶、厶为电池的充电和放电电流。

获得电池的欧姆内阻和总内阻后,通过总内阻 减去欧姆内阻得到电池的极化内阻,在本文中,极 化内阻指浓差极化内阻和电化学极化内阻的加和。
在10℃,25℃和40℃三种不同温度下分别 测算电池充放电的欧姆内阻、极化内阻和总内阻, 测算结果如图5~lO所示。

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图3
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0.045 O.040


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035 030 025 020 015



电池的充电内阻测量方法示意图

蛊 畏 慧 笛 掣 议



荷电状态&

图5三种温度下各SOC值对应的电池充电欧姆内阻曲线

靖电压U



电池的充电欧姆内阻碍、充电总内阻群、放

电欧姆内阻霹和放电总内阻群的计算公式分
别为

荷电状态s。

图6三种温度下各sOC值对应的电池放电欧姆内阻曲线

《=等=半 硝=等=半 耳=等=半 剧=筹=半






址,l。

(6) 一

‘她



∽ ~
荷电状态S。

式中,△玑、△玑为充电和放电阶跃输入前后电池
万方数据

图7

三种温度下各SOC值对应的电池充电极化内阻曲线

118

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O∞



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U,%《盛畏晕娶掣罄








荷电状态Sc

图8三种温度下各SOC值对应的电池放电极化内阻曲线

阻是电池欧姆内阻的主要来源,因此,温度降低, 电池的欧姆内阻增大。同时,温度降低,离子移动 速度减慢,化学反应速度降低,浓差极化和电化学 极化增大,这使得极化内阻也增大。 另外,在SOC值处于较宽的中后段区间内时, 不同的温度下的电池极化内阻差距较小,而不同温 度下的电池欧姆内阻则相差较大,即欧姆内阻比极 化内阻对于环境温度更加敏感。 (3)由充放电欧姆内阻曲线可以看出,25℃虽 然是10℃和40℃的中位温度,但是25℃曲线明 显地更倾向于40℃曲线。也就是说,相比高温, 电池欧姆内阻的变化对于低温更加敏感,变化的速 度在低温下更大。 (4)温度越低,电池的充放电欧姆内阻随SOC
值减小而上升的速率和幅度均越大。

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盛 长 蘧 脚 椒

(5)随着SOC值的降低,10℃下电池的充放
电极化内阻的上升要早于25℃和40℃曲线的上

升。lO℃环境温度下,电池的极化内阻在SOC值
小于O.5时就表现出上升迹象,而25℃和40℃曲 线上,直到SOC值小于0.1才能观测到极化内阻的

显著上升现象。即温度越低,随着SOC值的降低,
其极化内阻上升得更早,这一现象与低温下浓差扩

散速度的减慢有关。另外,这一规律对于欧姆内阻
图9三种温度下各SOC值对应的电池充电总内阻曲线

并不明显。

4环境温度对电池开路电压的影响
’口-




开路电压OCV和SOC的关系图是反应电池基
本性能的重要曲线,不同种类的电池该条曲线的形

雹 星


态也各不相同。在同一温度同样的试验规则下,
SOC.oCV曲线的可重复性非常好,因此该曲线也

脚 橙

荷电状态S。

图lO三种温度下各SOC值对应的电池放电总内阻曲线

是用于校正SOC估算误差的一种方法。研究 SOC.OCV曲线在不同环境温度下的变化具有重要 意义。 SOC.OCV曲线的试验步骤和第3节中一致, 两套试验可以结合起来,同时进行。
图1l和图12分别为10℃、25℃和40℃下

(1)在较宽的SOC区间内,如SOC值处于0.3~ 1.0时,同一温度下电池的内阻基本上不变,无论是

电池充电和放电过程中测得的SOC.OCV曲线。

欧姆内阻、极化内阻还是总内阻。而在SOC值较低
的情况下,如SOC值小于O.1这一区间,电池的内 阻随着SOC的降低而急剧增加,同时,极化内阻的

上升速率远大于欧姆内阻。
(2)随着温度的降低,电池充放电的欧姆内阻、 极化内阻和总内阻均增加。这是因为,上述测试方 法得到的是电池的直流内阻,该直流内阻主要由电 池极板、极柱等金属连接件和电解液的欧姆内阻共

同组成。本试验中使用的电解液为锂盐电解质和有 机溶剂,该电解液主要依靠电解质的离子导电,因 此,在一定的温度范围内,温度降低,离子迁移速 度降低,电解液的欧姆内阻增大,由于电解液的内 万方数据

图ll三种温度下电池的充电SOC—0Cv曲线

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(1)磷酸铁锂电池的开路电压随着电池SoC的
增加而单调增加。但是SOC.oCV曲线在很宽广的 中段SOC范围内上升缓慢,曲线非常平坦,在SOC 值为0.3~1.0的区间里,电池的开路电压OCV随 着SOC值的变化而变化很小;而磷酸铁锂电池在 SOC值小于O.3的范围内,电池的开路电压OCV 随着SoC值的降低下降得非常快。

(2)如图13所示,充电和放电过程的SoC.OcV
荷电状态Sc

曲线存在差异,放电得到的曲线总是略低于充电得 到的SOC.OCV曲线。这是由于,充电到某一SOC 数值开始静置时,电压持续降低至逐渐趋近电池的 oCV真值,而放电到同一SoC数值开始静置时,

图12三种温度下电池的放电soI■DCv曲线

比较各温度下充电过程与放电过程的

SOC.OCV曲线,如图13所示。

电压持续升高至逐渐趋于电池的同一OCV真值。
由于这一趋近过程理论上所需时间非常长,即使在 测量OCV时已静置相当长时间,放电曲线上得到 的OCV依然小于充电曲线上得到的OCV。

(3)不同温度下得到的SoC.oCV曲线不同, 一般地,温度越低,曲线越低,但在某些SOC位置
上也存在例外。充分静置后获得的oCV数据基本

不受极化电压的影响,其数值可由N锄st方程得到,
这一方程指出,OCV与电池的标准电动势、电池热
荷电状态S。
(a)lO℃

力学温度和反应物产物量的浓度积有关,由于方程 中的温度以热力学温度计算,因此,在10~40℃的
温度范围内,其OCV的相对差异很小。观察图1l 和图12中SOC值大于O.1以后的曲线部分,可以 发现,25℃和40℃曲线十分接近,但是10℃曲 线较以上两者偏低,即低温下OCV数值略偏低,

这一偏离程度和温度不是线性关系,温度越低偏离
的速率越快。


荷电状态&

结论
本文考察了磷酸铁锂电池的容量、充放电内阻

与开路电压和温度的关系,得到了不同温度下各

SOC对应的充放电总内阻、欧姆内阻和开路电压 规律。
(1)环境温度对磷酸铁锂电池容量的影响很

大,低温时容量迅速衰减,高温时容量迅速增大,
但其变化速度小于低温时。

(2)环境温度对于电池欧姆内阻和总内阻的影
响很明显,一般地,温度越低内阻越大、欧姆内阻 比极化内阻对温度更敏感、欧姆内阻的变化对低温
荷电状态S。
(c)40℃

更敏感。另外,温度越低,极化内阻在小SOC值段 的上升更早。

图13三种温度下充放电过程soC—0CV曲线比较

(3)电池的SOC.OCV曲线在不同温度下的差

万方数据

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机械工程学报
ch锄ac自eristics

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异较小,温度越低,SOC_oCV曲线越低,且低温 下曲线的偏离速度更大。 对电池的容量的估算要考虑环境温度带来的 影响;电池在低温和小SOC值条件下的内阻很大, 大电流充放容易过度发热并损坏电池;磷酸铁锂电 池在低温条件下的工作性能较差;SOC.OCv曲线 在不同温度下的一致性较高。这些结论明确了磷酸 铁锂电池的温度特性,对于设计电池热管理系统【lI】
具有重要意义。

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鼬s魄Kh柚d Dcvelol瑚∞t’2∞5,22(3):119-123.
作者简介:李哲,女,1983年出生,博士.主要研究方向为动力电池测 试与管理.

H伽呸;bin’盈AO Jiahong,FENG Xi配m,et a1.U∞ si舢l撕∞tecllnolo贸仰the c0咖cti∞dcsi驴of
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M∞h柚的al Engin∞m强2005,40(12):58石1.

Bmail:I蝴@mils.忸ingh眠耐11.∞
韩雪冰,男,1987年出生.主要研究方向为动力电池耐久性.

【5】王青松,孙金华,姚晓林,等.锂离子电池中的热效应 阴.应用化学,2006,23(5):489—493. WANG

Bm砌i∞岫mowi∞呕癣miI.渊
卢兰光,男,1967年出生,高级工程师。博士.主要研究方向为燃料电 池、动力电池测试与建模.

Qing啪g’SUN

JiIIhua’YAO)【i∞lin'吼a1.

Th啪1a1 beh嘶傩jnside ljtbil珊.i∞硫蜘%阴.Chjn∞e Jo哪!al ofApplied Ch眦is仃y,2006,23(5):489-493.
【6】李哲,仝猛,卢兰光,等.动力型铅酸电池及LiFeP04 锂离子电池的容量特性【J】.电池,2∞9,39(1):30-32. U
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欧阳明高(通信作者).男,1958年出生,清华大学汽车安全与节能国家 重点实验室主任,教授,博士研究生导师.主要研究方向为节能与新能 源汽车动力系统与控制.

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万方数据

动力型磷酸铁锂电池的温度特性
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 李哲, 韩雪冰, 卢兰光, 欧阳明高, LI Zhe, HAN Xucbing, LU Languang, OUYANG Minggao 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室 北京100084 机械工程学报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 2011,47(18)

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