高倍率脈沖放電鋰電池的功率輸出特性

焦紹光,柳應全,魯軍勇

(1. 海軍工程大學 教研保障中心, 湖北 武漢 430033; 2. 海軍工程大學 電磁能技術全國重點實驗室, 湖北 武漢 430033)

鋰電池系統的功率性能評估正在成為先進電池管理系統中的關鍵技術之一[1-3]。功率性能是指電池系統輸入或輸出功率的能力,是決定整個能量系統安全性、可靠性和效率的主要因素。在電磁發射等超大功率應用場合,電池系統輸出功率短缺不僅會延長能量傳輸時間、降低連發效率,嚴重時還可能導致任務失敗甚至產生安全隱患或事故。因此,進行功率性能分析是電磁發射用鋰電池系統電池管理中必須解決的問題。

功率特性是評價動力電池性能的一項重要指標,直接反映著電池接受電流和提供電流的能力。因此,對鋰離子動力電池的功率特性進行定量定性的研究是掌握動力電池性能、科學管理動力電池的必備環節。目前,國外的動力電池功率測試標準有USABC[4]提出的聯邦城市駕駛工況(federal urban driving schedule,FUDS)測試、動態應力測試(dynamic stress test,DST)和INEEL[5]提出的混合脈沖功率特性(hybrid pulse power characterization,HPPC)測試;國內有孫逢春等[6]提出的北京客車動態應力測試(Beijing bus dynamic stress test,BBDST)等。大體可以概括為控制功率脈沖和控制電流脈沖兩種模式。其中,FUDS測試、DST和BBDST屬于控制功率脈沖模式,HPPC測試屬于控制電流脈沖模式。針對兩種測試模式的應用主要基于不同電池的實驗研究進行。文獻[7]對常見電化學儲能器件在兩種測試模式下的性能差異進行對比,認為超級電容器和磷酸鐵鋰電池在兩種測試模式下的性能相近。文獻[8]綜合分析了恒流和恒功率測試模式下磷酸鐵鋰電池的性能和工作特性,認為恒功率模式下由于電池不能充滿電,倍率性能稍差。文獻[9]認為應用HPPC測試法評價能量型鋰離子動力電池的功率特性規律一致,且HPPC測試法所得的功率與脈沖時間及電流有關,脈沖時間越短、脈沖電流越大,相應的功率越大。

以上研究均是對動力電池的功率測試標準進行對比分析,未涉及對動力電池功率特性的影響因素的定性研究。由于應用背景的特殊性,對高倍率脈沖放電鋰電池的研究更是罕見。在單個實驗中固定電流條件可以排除由于電流波動對實驗結果產生的影響,且相比恒功率控制,恒電流控制更能突顯測試條件對輸出功率的影響。因此,本文主要采用恒電流脈沖控制的測試方法分析高倍率鋰離子動力電池的功率特性。阻抗是影響動力電池功率性能的決定性因素,而溫度、荷電狀態(state of charge, SOC)和老化被認為是導致電池阻抗變化的誘因[10-11],因此,本文設計了溫度、SOC和老化3組實驗進行定量的研究。其中,溫度實驗是基于同一種電池在不同溫度下的放電實驗,SOC實驗是基于兩型不同體系電池在各自額定功率附近的放電實驗,老化實驗是基于同一支電池在壽命周期內的放電實驗。為了更直觀地表征輸出功率的變化規律,本文采用相對功率-SOC曲線作為評估輸出功率性能的指標,通過定量分析與實驗結合的方式研究了溫度、SOC和老化3個因素對電池輸出功率特性的影響。

1 鋰電池的功率特性曲線

鋰電池的功率特性可以通過V-I曲線描述,如圖1(a)所示。4條紅色虛線分別表示工作電流和電壓的上下邊界,藍線表示動力電池的工作曲線,工作點可在藍線和紅虛線包圍的灰色區域內移動。為了方便討論,定義電池的放電電流和功率為正方向,充電電流和功率為負方向。

動力電池的功率P可表示為:

P=UOCVI-I2Rtotal

(1)

式中,UOCV表示電池開路電壓,I表示電池工作電流,Rtotal表示電池直流阻抗,可得如圖1(b)所示P-I曲線。為求解P的最大值,可對電流I求偏導,同時考慮Rtotal=R(I),可得:

(2)

式中,R′(I)表示Rtotal對I的一階導數。令式(2)為0,可求得峰值功率和峰值功率對應的電流值。通常鋰離子動力電池的實際工作電流無法達到IPmax,圖1(b)中的P′max為理論峰值功率,因此,實際的電池峰值功率為最大電流對應的工作點。

(a) V-I曲線(a) V-I curve

(b) P-I曲線(b) P-I curve圖1 鋰電池的V-I曲線和P-I曲線Fig.1 V-I curve and P-I curve of the lithium power battery

2 鋰電池輸出功率的影響因素

本節主要分析溫度、SOC和電池老化3個因素對電池輸出功率的影響。

2.1 溫度

電池的功率特性對溫度有較高的依賴性,這是由于溫度會影響鋰離子的活度和電荷傳輸能力[12]。此外,溫度產生的熵變還會對動力電池的OCV特性產生影響,并間接影響電池的功率。溫度對電池功率的影響如圖2所示。

2.2 SOC

鋰電池的電氣參數在SOC區間呈現波動,其中,歐姆內阻RΩ大體呈兩端高中間低的馬鞍形分布,電氣參數的變化必然會引起輸出電壓的變化,從而體現在輸出功率上。然而,SOC對電池功率的影響最主要體現在開路電壓的單調變化。隨著SOC的下降,開路電壓減小,尤其是在SOC的低區間,如圖3所示。

圖2 溫度對鋰電池工作曲線的影響Fig.2 Influence of temperature on the lithium battery work curve

圖3 SOC對鋰電池工作曲線的影響Fig.3 Influence of SOC on the lithium battery work curve

2.3 電池老化

鋰離子電池的性能隨著時間(日歷老化)和使用(循環壽命)而下降[13-14],這是由發生在電極/電解質界面和活性材料中的大量反應過程引起的。當電池達到壽命終點時,電池內阻大幅上升,且伴隨著容量和功率的衰減,帶來工作過程中歐姆熱的增加和能量效率的下降。此外,電極材料的流失還會引起電極電勢的下滑,加劇輸出功率的衰減[15]。對純電動汽車而言,功率衰減會引起加速和制動階段駕駛性能的惡化[16],Saxena等指出,電池老化會帶來純電動汽車加速時間的延長,尤其是在SOC較低時[17]。老化對電池功率的影響如圖4所示。

圖4 老化對鋰電池工作曲線的影響Fig.4 Influence of aging on the lithium battery work curve

3 實驗設置和結果

搭建高倍率單體電池測試平臺,平臺架構和拓撲結構如圖5所示。實驗的溫控條件和測試對象如圖6所示。

圖6 溫控條件和測試對象Fig.6 Temperature control condition and test battery

4 實驗結果和分析討論

4.1 溫度實驗

為研究溫度對鋰電池功率輸出特性的影響,設計一組10%、30%和50%SOC電池在不同溫度(15 ℃、25 ℃、30 ℃)下的脈沖放電實驗,實驗對象為9支高倍率LiFePO4/C電池,容量20 Ah。實驗步驟如下:

步驟1：電池1 C充滿電至3.65 V,分3組(每組3支)。

步驟2：1 C恒流放電,截止條件實際容量10%SOC(30%SOC和50%SOC)。

步驟3：以15 ℃為例,15 ℃靜置8 h,記錄靜置電壓(連接充放電機)。

步驟4：400 A恒流放電4 s,停1 s,循環脈沖直至截止電壓2.0 V,數據采集周期0.1 s(放電倍率20 C)。

步驟5：在20/25 ℃下重復步驟3～4。

實驗得到9支電芯的電池電壓和電流曲線,將二者的乘積作為輸出功率曲線,并折算成峰值功率(Ppeak)的倍數,如圖7所示。

從圖7可以看出:①當SOC低于10%時,電池功率對溫度十分敏感;②當SOC高于30%時,25 ℃條件下的電池功率明顯高于15 ℃和20 ℃。因此,在冬季為提高電池的輸出功率和能量效率,應通過加熱使電池溫度至少達到25 ℃。不同SOC條件下,電池平均輸出功率曲線如圖8所示。

(a) 10%SOC

(b) 30%SOC

(c) 50%SOC圖7 溫度和SOC對鋰電池功率-SOC曲線的影響Fig.7 Influence of temperature and SOC on the lithium battery power-SOC curve

圖8 溫度和SOC對動力電池平均功率的影響Fig.8 Influence of temperature and SOC on the average power of power battery

從圖8可以看出:①SOC處于50%條件下,平均標幺功率與溫度的關系滿足Arrhenius關系式,即近似呈線性關系;②SOC處于30%條件下,15 ℃和20 ℃工作溫度時平均功率相當,即電池功率對溫度的依賴性較小;③SOC處于10%條件下,15 ℃工作溫度時,電池功率對SOC更敏感,由于SOC的不足使得平均功率的衰減增加了50%。因此,高倍率動力電池應避免深度放電,盡量保證電池的工作SOC在20%以上。

4.2 SOC實驗

對兩種鋰離子動力電池(A型Li(Ni1-x-yCoxMny)O2/ LixC6和B型LiFePO4/C)進行恒電流脈沖控制,室溫條件下測試倍率分別為0.5 C和22 C,實驗步驟如下:

步驟1：25 ℃下電池1 C充至滿電狀態(A型4.2 V截止,B型3.65 V截止)。

步驟2：25 ℃靜置8 h,記錄靜置電壓(連接充放電機)。

步驟3：A型電池1 A恒流放電1 200 s,停600 s,循環脈沖直至截止電壓3.0 V,數據采集周期1 s(放電倍率0.5 C)。

步驟4：B型電池400 A恒流放電4 s,停1 s,循環脈沖直至截止電壓2.0 V,數據采集周期0.1 s(放電倍率22 C)。

實驗得到一個循環周期內的電池電壓和電流曲線,將二者的乘積作為輸出功率曲線,并折算成峰值功率(Ppeak)的倍數,如圖9所示。

(a) 三元聚合物電池的脈沖功率輸出(a) Pulse power output of ternary polymer cell

(b) 高倍率LFP電池的脈沖功率輸出(b) Pulse power output of high-rate LFP battery圖9 兩種鋰離子動力電池的功率-SOC曲線Fig.9 Power-SOC curve of two types lithium-ion power battery

可以看出,由于脈沖放電特性,輸出功率在每個脈沖的上升沿會出現一個抬升,并在數秒內沿指數衰減到穩定值,稱脈沖上升沿的瞬時功率為啟動功率Pign,穩定下來的工作功率為持續功率Pcon,如圖10(a)所示。分別對磷酸鐵鋰(LiFePO4, LFP)電池高倍率放電過程中啟動功率和持續功率曲線進行多項式擬合可以得到:

(3)

啟動功率和持續功率的擬合結果如圖10(b)所示。從圖10(b)可以看出,擬合多項式可以很好地描述啟動功率和持續功率的特性。利用該擬合公式可以對負載的功率耐受能力進行前期評估,防止出現由能源功率波動引起的性能下降。

(a) 脈沖放電鋰電池的輸出功率、啟動功率和持續功率(a) Output power, ignition power, continue power of pulse-discharged lithium battery

(b) 啟動功率和持續功率的擬合結果(b) Polynominal fitting results of the ignition power and the continue power圖10 啟動功率和持續功率及多項式擬合結果Fig.10 Ignition power, continue power and polynominal fitting results

4.3 電池老化實驗

在Bole等提供的開放數據集[18]中,一組18650電芯在室溫下隨機脈沖放電循環,每間隔50個大循環在滿電情況下進行一次脈沖放電測試,實驗進行600個大循環,將脈沖放電過程中得到的電壓和電流的乘積作為輸出功率曲線,并折算成峰值功率(Ppeak)的倍數,如圖11所示。

(a) SOC: 0.5～1.0

(b) SOC: 0～0.5圖11 不同循環次數下電池的功率-SOC曲線Fig.11 Power-SOC curve of battery in different cycles

從圖11可以看出,隨著電池老化程度的增加,電池功率曲線明顯下移,并且伴隨著電池容量的衰減。不同循環次數下,電池的平均功率曲線如圖12所示。從圖12可以看出,在前600個循環,電池平均功率衰減不是很明顯,衰減比例大約占2.7%。在電池壽命的終點,電池的內阻可能會加倍[19-20],平均功率會衰減至50%左右,因此,在SOC較低時啟動或者放電會變得十分糟糕。

圖12 電池老化對鋰電池平均功率的影響Fig.12 Influence of battery aging on the average power

5 結論

在電磁發射應用鋰電池系統中,對功率性能的研究不僅僅是為了電池的壽命安全,更多的是出于對發射任務安全的考慮。本文定義了鋰電池的功率特性曲線,并通過放電實驗和對比分析,從溫度、SOC和電池老化3個角度開展研究,得到了高功率脈沖放電鋰電池功率輸出的以下幾點規律:

1)不同于普通的放電工況,脈沖放電鋰電池的輸出功率包括電池啟動功率Pign和持續功率Pcon,其與SOC的關系可以通過多項式擬合;

2)SOC為50%時,溫度對電池功率的影響符合Arrhenius關系式,平均標幺功率變化率約為0.5%/K,若SOC低于10%且工作溫度低于20 ℃,需嚴格考慮SOC不足引起的功率劇降;

3)在前600個循環,電池老化對電池功率的影響較小,平均功率變化率約為0.5%/100 Cycles。