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温度对磷酸铁锂电池性能的影响(1)


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电动自行车

LECTRIC B ICYCLE

温 度

对磷酸铁锂电池性能的影响
文 ◎ 孙 庆 杨秀金 代云飞 周寿斌 ( 江苏华富控股集团有限公司 )
摘要:主要从放电容量、放电中值电压、放电能量 3 个方面研究了低温阶段与高温阶段两阶段温 度对磷酸铁锂电池性能的影响,同时还对比了低温 ( 20 ℃ 充放电与常温充电、低温放电 2 种情况 ) 下放电容量,最后考察了 48 V180 Ah 电池组 ( 串 在充放电过程中电池组内不同区域的温度场分 15 ) 布情况。实验结果表明:对于实验的样品,低温对电池影响较大,- 20 ℃是其低温坎;高温下电池性 能变化不明显,温度 50 ℃以上电池性能开始下降,推荐使用温度范围 0~50 ℃;常温充电相比低温充 电其放电容量仅提升 10%;电池组在使用过程中,最内部的单体与最外面的单体温度差异可达 12 ℃。 关键词:磷酸铁锂电池;性能;低温;高温;温度场

锂离子电池具有工作电压 高 (是 镍 镉 电 池 、 氢 镍 电 池 3 倍) 比 能 量 大 ( 可 达 165 、 Wh/kg, 是氢镍电池的 3 倍) 体 、 积小、 质量轻、 循环寿命长、 自放 电率低、 无记忆 效 应 、 污 染 等 无 众多优点。在锂离子电池中, 磷 酸铁锂电池较被看好, 这种电池 虽然比能量不及钴酸锂电池, 但 是其安全性高, 单体电池的循环 次 数 能 达 到 2 000 次 , 放 电 稳 定, 可快速充电且不含重金属无 毒环保。 因此磷酸铁锂电池是目 前被十分看好的锂离子电池, 尤 其是动力电池和储能这些对体 积比能量要求不如手机电池那 么高的领域。 虽然其具备了如此 多的优点和优势, 但是其推广的 速度及应用领域的广度、 深度却

不尽如人意。 阻碍其快速推广的 磷酸铁锂材料自 因素除了价格、 身的生产批次一致性等因素外, 其温度性能也是重要原因。 此文考察了温度对磷酸铁锂 电池性能的影响,同时考察了电 池组在使用过程中各单体所处温 度场情况。

CT- 3008W5V20A- TF 的高精度 电池性能测试系统。 (4 恒温设备: ) 东莞市贝尔试 验设备有限公司生产的规格型号 为 BE- TH- 150M 3 的 可 程 式 恒 温恒湿箱。 (5 实验方案: 25 ℃为低 ) 以 温测试基准点,先进行低温性能 的测试, 25 ℃开始至 - 20 ℃, 从 每 5 ℃为一温度考察点,温度变 化速率为 30 min/5 ℃, 每个温度 点下搁置 24 h 后方可进行该温 度点下的性能测试; 20 ℃点充 放电测试完毕后进行一次 25 ℃ 下的充电 - 20 ℃下的放电测试, 以验证其低温性能较差的制约因 素是充电过程还是放电过程。具 体过程:将温度恢复到 25 ℃, 进 行 25 ℃下的充放电循环, 最后以

1 实验方案
1. 1 温度对磷酸铁锂电池性能

影响实验方案 (1 选取规格为 3.2 V10 Ah ) 的 3 只出厂合格的磷酸铁锂电芯 作为样品进行考察。 (2 将 3 只电芯上台进行不同 ) 温度下的充放电测试。 (3 测试设备: ) 深圳市新威尔 电子有限公司生产的规格型号为

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研究与开发
ELECTRIC B ICYCL 满电结束,然后温度再次降至 - 20 ℃进行一 次 - 20 ℃ 放 充 电 测试满电下台,至此低温性能测 试完毕; 随后进行高温性能测试: 为了消除低温阶段测试的影响, 并以此温度下 温度恢复到 25 ℃, 所测得的数据为高温测试基准 点, 随后进行高温性能的测试, 从 25 ℃开始至 60 ℃,每 5 ℃为一 温度考察点, 每一考察点考察 0.5 C 放电容量。 每一考察点性能测试方案: 以满电态开始,以 1/3 C 充电至 3.65 V 恒压至 0.01 C, 搁置 10 min 后以 0.5 C 放电至 2.0 V,搁置 10 min, 循环 3 次后满电下台。 (6 考察项目: ) 每一考察点相 对基准点的放电容量、放电中值 放电能量。 电压、 1. 2 电池组在使用过程中各单 温度探头变化值。

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2 测试结果及讨论
2. 1 不同温度下电池的放电容量 放电容量统计结果见下表 1。 低温性能以第一次 25 ℃下的放 电容量作为参考值,其它考察点 的考察数据与其进行比较;高温 性能以低温测试结束后的 25 ℃ 下的放电容量作为参考值,其它 考察点的考察数据与其进行比 较。取 3 只样品各考察点的考察 数据平均值作图, 如图 1 所示。 从表 1 和图 1 可以看出, 在 低温阶段, 随着温度的下降, 其放 电容量是逐渐减少的。在 0 ℃以

体所处温度场情况 (1 为方便组装测试, ) 选取 15 只 3.2 V180 Ah 按 3×5 的排列 方式组装成电池组。 (2 将温度探头置于电池组中 ) 的不同位置。 (3 充放电测试: 1/3 C 恒 ) 以 流 充 电 至 54.75 V (单 体 电 压 3. 65 V) 随 后 转 恒 压 充 电 至 0.02 C, 搁置 10 min 后以 1 C 放 电至 30 V (单体电压 2.0 V 。 ) (4 考察项目: ) 充放电过程中

表 1 温度对放电容量 (0. 5 C 的影响 )
温度 (℃ / ) 1 25(低温基准) 20 15 10 5 0 -5 - 10 - 15 - 20 25(高温基准) 30 35 40 45 50 55 60 10318.4 10205.9 10033.2 9637.7 9004.3 8279.5 7512.3 6762.0 5942.8 4550.7 9739.8 9933.0 10031.7 10034.3 10040.7 10035.7 10004.2 9667.5 放电容量 /mAh 2 10204.5 10076.3 9734.1 9200.2 8527.4 7913.7 7111.0 6662.4 5972.2 4379.3 9644.5 9833.2 9937.6 9945.9 9949.9 9946.9 9922.3 9848.2 3 10130.6 10014.0 9754.0 9306.5 8698.1 8106.2 7410.2 6925.7 6201.4 4420.3 9546.4 9738.2 9843.1 9849.8 9855.8 9852.4 9825.4 9555.3 平均值 10217.9 10098.7 9840.4 9381.5 8743.3 8099.8 7344.5 6783.4 6038.8 4450.1 9643.6 9834.8 9937.4 9943.3 9948.8 9945.0 9917.3 9690.3 1 100.0 98.9 97.2 93.4 87.3 80.2 72.8 65.5 57.6 44.1 100.0 102.0 103.0 103.0 103.1 103.0 102.7 99.3 相对测试基准点容量 / ( ) % 2 100.0 98.7 95.4 90.2 83.6 77.6 69.7 65.3 58.5 42.9 100.0 102.0 103.0 103.1 103.2 103.1 102.9 102.1 3 100.0 98.8 96.3 91.9 85.9 80.0 73.1 68.4 61.2 43.6 100.0 102.0 103.1 103.2 103.2 103.2 102.9 100.1 平均值 100.0 98.8 96.3 91.8 85.6 79.3 71.9 66.4 59.1 43.6 100.0 102.0 103.0 103.1 103.2 103.1 102.8 100.5 变化率 0.0 - 1.2 - 2.5 - 4.5 - 6.2 - 6.3 - 7.4 - 5.5 - 7.3 - 15.6 0.0 2.0 1.1 0.1 0.1 0.0 - 0.3 - 2.4

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LECTRIC B ICYCLE 度对中值电压的影响与对放电容
11000 10000 100 9000 110

量的影响有些类似,低温阶段, 随 着温度下降, 其放电中值电压均是
相对基准点容量 /(% )

放电容量 /mAh

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 25 20 15 10 5 0 - 5- 10- 15- 20 25 30 35 40 45 50 55 60

90 80 70 60 50 40

逐步降低, 且下降速度呈逐步增加 的趋势, 0 ℃以上基本维持在 在 3 100 mV 以上, - 15 ℃降至 至 2 923 mV, - 20 ℃相对 - 15 ℃, 而 其中值电压更是下降了近200 mV, 只有 2 720 mV 左右。 而在高温阶 其它 段, 除了 60 ℃略微降低点, 均是较前一温度点有所增加, 且增 加 幅 度 很 小 , 差 值 只 有 极 3 245.7- 3 209.5=36.2 mV。 2. 3 不同温度下电池放电能量 由于在实际使用过程中, 负 载是额定功率输出,电池放电能 量决定了负载工作时间,因此有 (m) V

温度测试点 /(℃)

图 1 不同温度下电池的放电容量 上时,基本能保持正常容量的 80% 以上, 0 ℃以下, 但 容量下降 速度加快, 10 ℃只有常温下的 66.4% , 20 ℃则不到 50% 容量, 在 25~10 ℃, 其容量衰减率每 5 ℃ 增加 1 倍, ℃为 - 1.2% , ℃ 20 15 则为 - 2.5%, ℃为- 4.5%;而在 10 10 ℃~- 15 ℃这个阶段,其容量 衰减率则基本相同,约为 6% ~7% /5 ℃, - 15 ℃降至 - 20 ℃ 从 其容量衰减率急剧增加,达到 - 15.6% ,因此可以认为 - 20 ℃ 是此类电池的一个低温坎。而在 高温阶段,其容量变化不是很明 显,容量最大值相对基准也仅增 加 3% 左右。且超过 30 ℃容量基 本不变,但值得注意的是,过了 50 ℃ 后 其 容 量 曲 线 不 升 反 降 , 60 ℃下容量与基准点持平。 从 此点可以看出,应尽量避免电池 在 50 ℃以上环境中长期使用。 2. 2 不同温度下电池的放电中值 电压 不同温度下的 0.5 C 与 1 C
温度 (℃ / )

的放电中值电压如表 2 所示, 并 对 3 个样品的不同考察点的 0.5C 与 1C 放电中值电压平均值 作图, 如图 2 所示。 从表 2 和图 2 可以看出, 温

表 2 温度对放电中值电压 (0. 5 C 的影响 )
放电中值电压 1 3225.1 3211.0 3195.4 3176.8 3151.4 3118.6 3073.0 3018.0 2929.5 2733.6 3214.4 3225.6 3234.1 3239.0 3240.0 3247.0 3248.5 3244.8 2 3212.2 3195.2 3167.0 3142.3 3109.4 3075.5 3027.2 2984.9 2911.6 2714.9 3209.1 3219.5 3228.7 3233.5 3234.3 3242.0 3245.3 3245.1 3 3217.1 3199.5 3173.1 3148.5 3117.0 3081.9 3034.1 3001.7 2930.6 2717.0 3205.1 3216.4 3226.4 3232.1 3233.2 3241.3 3243.2 3240.3 平均值 3218.1 3201.9 3178.5 3155.9 3125.9 3092.0 3044.8 3001.5 2923.9 2721.8 3209.5 3220.5 3229.7 3234.9 3235.8 3243.4 3245.7 3243.4

相对上一考 相对基准点 察点变化值 0.0 - 16.2 - 23.4 - 22.6 - 30.0 - 33.9 - 47.3 - 43.2 - 77.7 - 202.0 0.0 11.0 9.3 5.1 0.9 7.6 2.3 - 2.3 变化值 0.0 - 16.2 - 39.6 - 62.2 - 92.2 - 126.1 - 173.3 - 216.6 - 294.2 - 496.3 0.0 11.0 20.2 25.4 26.3 33.9 36.2 33.9

25(低温基准) 20 15 10 5 0 5 - 10 - 15 - 20 25(高温基准) 30 35 40 45 50 55 60

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3300 3200 3100

3300 3200 3100 3000 2900 2800 2700 2600 2500

能量随温度的变化情况与放电容 量与放电中值电压的变化比较 接近,但其受温度影响更大。 10 ℃能量约保持在 90% , ℃ 0 只 有 不 到 75% , - 15 ℃ 接 近 而 50% , 20 ℃约为常温下的 1/3。 而在高温阶段,能量变化不明 显 。 最 大 值 (50 ℃) 也 仅 为 103.4% , 而在 60 ℃时与常温下 持平。 2. 4 低温性能制约因素 将 - 20 ℃充电测试的放电性 能与在 25 ℃下充电在 - 20 ℃下 放电的性能进行比较, 见表 4。

中值电压 /mV

3000 2900 2800 2700 2600 2500

25 20 15 10 5

0 - 5- 10- 15- 20 25 30 35 40 45 50 55 60

测试温度 /℃

图 2 不同温度下放电中值电压变化 必要关注不同温度下放电能量的 变化情况。 放电能量统计 结 果 见 表 3。 取 3 只样品各考察点的考察数据 平均值作图, 如图 3 所示。 由于放电能量值是每一时 刻点放电电压与放电电流相乘 对时间积分所得到的, 因此放电 表 3 温度对放电能量 (0. 5 C 的影响 )
/ ) 温度 (℃ 1 25(低温基准) 20 15 10 5 0 -5 - 10 - 15 - 20 25(高温基准) 30 35 40 45 50 55 60 32801.1 32282.0 31388.0 29806.5 27465.8 24916.1 22198.4 19616.9 16749.7 12641.9 31255.9 31828.8 32187.1 32199.4 32198.8 32269.7 32153.5 30922.6 放电能量 /mWh 2 32282.0 31656.8 30007.8 28021.6 25514.7 23374.8 20628.0 19090.6 16709.9 12202.5 30883.2 31431.8 31821.2 31850.0 31838.4 31922.4 31854.8 31531.7 3 32108.6 31534.8 30172.3 28445.0 26105.8 23965.2 21425.9 19850.3 17390.8 12420.5 30544.0 31098.5 31494.2 31528.5 31520.8 31612.3 31522.0 30522.1 平均值 32397.2 31821.1 30522.7 28757.7 26362.1 24085.4 21417.4 19519.3 16950.1 12421.6 30894.4 31453.0 31834.2 31859.3 31852.7 31934.8 31843.4 30992.2 1 100.0 98.4 95.7 90.9 83.7 76.0 67.7 59.8 51.1 38.5 100.0 100.0 103.0 103.0 103.0 103.2 102.9 98.9

相对放电能量 / ( ) % 2 100.0 98.1 93.0 86.8 79.0 72.4 63.9 59.1 51.8 37.8 100.0 101.8 103.0 103.1 103.1 103.4 103.1 102.1 3 100.0 98.2 94.0 88.6 81.3 74.6 66.7 61.8 54.2 38.7 100.0 101.8 103.1 103.2 103.2 103.5 103.2 99.9 平均值 100.0 98.2 94.2 88.8 81.4 74.3 66.1 60.3 52.3 38.3 100.0 101.8 103.0 103.1 103.1 103.4 103.1 100.3

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LECTRIC B ICYCLE 过程的温度变化进行了研究。 电池组单体排布与温度探头 安装位置点如图 4 所示。
相对基准点能量 /%

11000 10000 9000 8000

110 100 90 80 70

放电能量 /mWh

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 25 20 15 10 5 0 - 5- 10- 15- 20 25 30 35 40 45 50 55 60

图 4 所示的 1 号探头所测温 度为 1 号单体靠近环境一侧温 度。横向 1 与 6 号单体间隔距离 为 3 mm, 与 2 间无间隙。探头 1 所放深度为电池高度 1/2 处。 其充放电过程中,各探头温 度随电压变化情况如图 5 所示。 从图中可以看出, 号单体由于 1 其有两面裸露于环境中,散热效 果较好,而其它 3 探头均被单体

60 50 40 30

温度测试点 / ( ) ℃

图 3 不同温度下放电能量变化 表 4 - 20 ℃充放与 25 ℃充 - 20 ℃放的放电性能比较
放电容量 /mAh 1 - 20℃充放 25℃充 - 20℃放 4550.7 5467.6 2 4379.3 5363.9 3 4420.3 5477.9 平均值 4450.1 5436.5

温度条件

相对容量 (%) / 43.6 53.2

所包围, 散热效果较差, 因此 1# 探头所测温度与其它 3 探头的测 试温度值相差较大。图 6 为电池 组内部 3 探头的实测温度与 1 号 探头所测温度比较值。 从图 6 中可以看出,放电过 程中,电池组内部 3 探头的温度 比较一致,在放电约 150 min 时 温升加快,此时放电深度约为 83% ,电池组电压在 45 V 左右, 对应单体电压 3.0 V, 这与电池组 电压下降趋势一致,此时电池电 压迅速下降, 电池极化增大, 导致

从表 4 中我们可以看出, 相 比低温充电低温放电, 常温充电低 温放电容量提升约 1 000 mAh, 相对容量增加 10% ,整体来看, 性能提升不大。 可见, 制约此实验 中样品低温性能的主要因素在于 放电过程, 而非充电过程, 所谓即 使是充得进却也放不出。 因此, 通 过将此类电池放在常温下充电的 方式来提升低温放电性能效果是 不理想的。 2. 5 48 V A 电池组充放电过 180 h

领域基本均为成组使用,很少单 独使用。 在成组使用过程中, 如果 所组成单体的温度场分布不均 匀, 温度相差较大的话, 那么即使 配组时单体的性能一致性很好, 成组使用时单体间性能差异也可 能会较大。基于此,通过在 48 V 180 Ah (15 串) 的电池组不同区 域安装 4 个温度探头对其充放电

程中温度变化及温度场分布情况 经过以上的温度实验发现温 度, 尤其是低温下, 对电池的放电 容量影响特别大。而磷酸铁锂电 池其所具有的低压实密度、低比 能量 (相对钴酸锂、 三元等材料而 言 的特点决定了其适合应用的 ) 图 4 48 V180 Ah 电池组温度探头分布

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55

55 50 45 40 35 28 24 20 16 12 8 4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

(3 高温 ) (25 ~60 ℃) 对磷酸 铁锂性能影响很小。在实验温度 范围内, 相对常温, 放电容量只增 加了 3.1% ,而中值电压只在 3 209~3 245 mV 间变化,而放电 能量也仅增加 3.4% 。 (4 当温度超过 50 ℃, ) 电池放 电容量、放电能量不升反降, ℃ 60 度时与常温时相当, 因此, 应避免 电池在 50 ℃以上环境中长期使

总电压 /V 温度 /℃

50 45 40 35 28 24 20 16 12 8 4

时间 /min

图 5 48 V180 Ah 电池组充放电过程温度随时间变化
15 15

用。
12 12

(5 综合低温与高温性能, ) 推 荐使用温度范围为 0~50 ℃。 (6 电池组单体若是紧装配且 ) 无任何散热装置时, 电池组内单体 所处温度场差异较大,不同区域 温度差可高达 12 ℃以上, 温度场

9

9

温度差 /℃

6

6

3

3

0

0

-3 0 50 100 150 200 250 300 350 400

-3 450

时间 /min

差异大小取决于探测点被单体包 围的情况, 包围的越严密, 由散热 效果越差, 温度越高, 处于最外层

图 6 48 V180 Ah 电池组内部探头与 1# 探头温度差随时间变化 放热速率加快。 至放电终止, 温度 达最大值, 此时与 1# 探头的温度 差为 8 ℃;而充电阶段 2# 与 3# 探头温度仍然比较一致, 4# 温 但 升加快,恒流阶段终止时,高出 2# 近 3 ℃, 此时与 1# 探头的温度 差达到 12 ℃,随后随着恒压阶段 电流逐渐减小, 温度有小幅回落。 66.4% , 20 ℃则仅有 44.1% , 且 - 20 ℃相对 - 15 ℃容量 衰 减 速 率 增 了 1/2 倍 (- 15 ℃ : 7.3% ; - 20 ℃: 15.6%) ,因此我们认为 - 20 ℃是个低温坎;从放电中值 电压来看, ℃: 218 mV; ℃: 25 3 0 3 092 mV, 10 ℃ : 001 mV; 3 - 20 ℃: 717 mV; 2 而综合放电容 量与放电电压两项性能的放电能 量随温度下降衰减更是明显, 其 相对常温值分别为 0 ℃: 74.3% ; - 10 ℃: 60.3% ; 20 ℃: 38.3% 。 (2 25 ℃常温充电相对 - 20 ℃ ) 低温充电,其放电容量仅提升 10% ,通过常温充电的方式来提 升低温放电性能效果不明显。

的单体温度最低。 (7 在放电过程中, ) 当放电深 度约为 83% , 对应电池单体电压 温升速度加快, 这与 在 3.0 V 时, 电池电压下降趋势一致,此时电 池电压迅速下降, 电池极化增大 , 导致放热速率加快。 (8 考虑到低温下电池性能随 ) 温度变化明显且电池组在使用过 程中单体温度场分布差异较大, 因此在电池成组使用时,为了保 证使用过程中电池组内单体一致 性,应充分考虑电池组内温度场 的均一性和高温下电池组内部单 体的散热问题。

3 实验结论
对于所实验的样品,通过以 上实验可以得出以下结论: (1 )低温 20 ℃~25 ℃) (对 磷酸铁锂性能影响显著, 从放电容 量来看, ℃时为常温容量的 0 80.2% , 10 ℃ 只 有 常 温 下 的 -

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磷酸铁锂电池特点介绍
78% 65% 建议在 0℃及以下温度,不要轻易对磷酸铁锂电池充电,以免损坏电池。...1/2 相关文档推荐 磷酸铁锂电池并联充放电... 6页 免费 磷酸铁锂电池特性的...
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铁锂低温性能影响因素
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磷酸铁锂电池知识大全
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磷酸铁锂电池优缺点分析
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磷酸铁锂电池
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影响磷酸铁锂性能的因素及解决办法
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