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億緯鋰能-加熱策略對磷酸鐵鋰電池低溫放電的影響

2021-11-22 16:30:36·  來源：電動學堂  作者：邱世濤等  
　
文章來源：惠州億緯鋰能股份有限公司1前言磷酸鐵鋰電池安全性和循環(huán)壽命具有很大優(yōu)勢，在新能源和儲能當中廣泛應用，人們對新能源汽車安全性的重視和續(xù)航里程的
文章來源：惠州億緯鋰能股份有限公司
1前言
磷酸鐵鋰電池安全性和循環(huán)壽命具有很大優(yōu)勢，在新能源和儲能當中廣泛應用，人們對新能源汽車安全性的重視和續(xù)航里程的追求，并且隨著技術的發(fā)展，成組效率提高，磷酸鐵鋰電池在乘用車中應用的也逐漸增加；但磷酸鐵鋰電池在低溫條件下電性能受很大影響，甚至喪失放電能力，嚴重影響電池的使用，因為低溫條件下電解液黏度增加，鋰離子遷移困難，并且低溫下電池內部化學反應速率低，極化內阻大。改善磷酸鐵鋰電池在低溫環(huán)境下電性能，成為技術發(fā)展中難點之一，必須對電池進行加熱。
加熱可分為兩類，一類是外部加熱，另一類為內部；內部加熱可以實現(xiàn)更快的加熱速度和更高的加熱速率，內部加熱的有在電芯內部嵌入鎳片，實現(xiàn)自加熱，這種方式雖然加熱效率高，但難以實現(xiàn)量產，并且安全性和可靠性無法保證；另一種是電流激發(fā)預熱，包含直流預熱、交流預熱、脈沖電流預熱，脈沖電流預熱是經過不持續(xù)的大電流放電使得電池內部的歐姆阻抗產生熱量，從而完成對鋰離子電池的預熱。
外部加熱主要有空氣加熱，液體加熱和加熱器預熱等方式，空氣加熱通過加熱系統(tǒng)對外部空氣進行加熱，然后在風扇的作用下進入電池組，對電池進行加熱；液體加熱則比空氣加熱具有更高的導熱系數(shù)，因此傳熱效率更高，通過加熱系統(tǒng)對電池底部流通的液體進行加熱處理，再通過液體流動實現(xiàn)對電池預熱，相比之下，液體預熱系統(tǒng)也更加復雜。加熱器預熱主要在電池側面布置加熱膜來實現(xiàn)。實驗采用加熱膜對電芯實施不同加熱策略對其預熱，研究在低溫條件下對放電過程的影響。
2實驗過程
實驗電芯正極采用LiFePO4材料，負極采用石墨材料，制作為方殼電芯，電芯尺寸為210*174*74mm(高度*寬度*厚度，高度不包含極柱)，標稱容量為280Ah，標稱電壓3.2V。
先對電池進行充電處理，25℃恒溫箱中擱置6h，以0.5C恒流充電至3.65V轉恒壓充電，至電流降至0.05C截止，充電完成靜置30min；在-20℃恒溫箱下放置電芯溫度降至-20℃且穩(wěn)定，再以一定的放電工步放電至2.0V，放電開始時開啟相應的加熱策略，通過直流電源設定相應的電壓與電流給加熱膜供電加熱，加熱膜尺寸為W*H=100*150mm；整個測試過程采用k型熱電偶采集電芯大面中心溫度，測試示意圖如圖1所示，電芯大面貼合加熱膜，再貼合1mm隔熱材料，以免加熱膜和電芯自身產生的熱量傳遞到夾板，影響實驗結果，最后再用10mm厚度夾板固定。

3實驗結果
3.1不同放電倍率
將100%SOC電芯在低溫-20℃以0.1C、0.3C、0.5C倍率放電至2.0V，從圖中可知，隨著放電倍率的增加，電芯放電能量和放電末的溫度增加，0.1C、0.3C、0.5C倍率放電能量依次為678.65、713.7、796.05Wh，放電末期溫度依次-5、16.4、33.4℃；根據(jù)溫度曲線可知，小倍率放電前期溫升緩慢，中期溫度趨于平穩(wěn)，主要是由于鋰離子之間的排斥力小，隨著放電電流越大，溫升速率越大；但放電末期，溫度均上升急劇，原因是正極中的鋰離子濃度越來越大，離子之間的排斥力增大，鋰離子更難遷移到正極材料晶體結構中，使得電芯的歐姆內阻和極化內阻急劇增加[9-10]，內阻產生的熱量急劇上升。

3.2不同加熱時間
車輛在行駛過程中主要以小倍率放電形式，在短時間加速過程中，短時間大倍率放電，所以在測試過程中，以0.1C倍率放電至2.0V，在放電時同步開啟加熱策略，設置輸出恒定功率的直流電源，單片加熱膜的功率為20W，電芯雙面2片加熱膜共同作用，加熱總功率為40W，加熱時間設置為1、2、3h。
從圖中可知，隨著加熱時間的增加，放電能量略有增加，減去加熱膜消耗的能耗，本文中定義放電能量與加熱膜加熱過程中消耗的能量差值為凈放電能量；加熱1h凈放電能量相對于無加熱策略的放電能量增加了11.26Wh，有微小的促進作用；但加熱2h和3h與無加熱策略的相比反而減小，說明這種加熱策略對放電能量沒有改善作用；從溫度曲線可以看出，加熱過程中，電芯溫度急劇上升，停止加熱后，溫度下降迅速，與無加熱策略的放電過程的溫度曲線相近，說明停止加熱后，電芯散熱快，放電過程中產生的熱量不足以維持電芯的溫度恒定；另一方面，電芯本體溫度和環(huán)境溫度差值大，加快電池熱量的傳遞和散失，使得電池溫度下降快。
從放電電壓曲線可知，在放電初期，隨著溫度的升高，電壓存在一個上升過程，主要原因是，加熱開啟，熱量傳遞到電芯內部，降低了電解液的黏度，增強了電解液的流動性，減小鋰離子脫嵌與遷移阻力，從而降低內阻，減小電池內部的分壓，溫度上升的同時加快電池內部化學反應速率，停止加熱，電壓停止上升。
總體來說這種加熱策略對電池凈放電能量沒有明顯改善，應用可能性較低。

3.3不同加熱功率
綜上述實驗可知，大功率加熱策略改善效果不明顯，另外延長加熱時間，雖然能夠提升電池溫度，但停止加熱后，電芯本體溫度和環(huán)境溫度的溫差大，加快電池熱量的傳遞和散失，依舊無法維持電芯溫度，另外加熱膜消耗的能量較大，不經濟；因此本實驗采用相同的加熱膜，放電倍率均為0.1C，設置不同的加熱功率和時間，有40W加熱1h，20W加熱2h和5W加熱8h共三組，實驗加熱過程均消耗40Wh能量。
40W功率加熱1h，放電能量729.91Wh，凈放電能量為689.91Wh；20W功率加熱2h，放電能量747.62Wh，凈放電能量為707.62Wh；5W功率加熱8h，放電能量747.51Wh，凈放電能量為707.51Wh，相對于無加熱策略的增加了28.86Wh。從溫度曲線可看出，5W加熱功率的電芯溫度在中期比其他加熱策略的溫度更高，電池內部的反應速率更快；其他加熱策略在停止加熱后，電芯溫度下降迅速，在放電末期溫升更大，說明極化產生的熱量更多。
從放電電壓曲線可看出，采用加熱策略，能夠延長電芯在3V左右的放電時間，從而延長放電過程，促使放電能量的提升。

4結論
低溫條件下，隨著放電倍率的增加，電池的溫升速率加快，從而加快了電池內部的化學反應速率，電池的放電能量提高。
大功率短時間加熱策略雖然能夠提高電池溫度，提升反應速率，但是停止加熱后，電池與環(huán)境溫度差值大，使得電池散熱和降溫迅速，最終和不加熱溫度相接近，對電池放電能量沒有明顯提升，并且大功率加熱方式，消耗的能量多。
采用小功率長時間加熱策略，不僅在加熱過程中消耗的能量更少，并且能夠長時間保持電芯溫度，加快電池內部反應速率；能夠延長在3V左右的放電時間，從而提升放電能量。
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