鉅大LARGE | 點擊量：1461次 | 2019年06月29日
怎樣應對鋰電池低溫性能惡化
冬季電動轎車續(xù)航的顯著下降，一臺普通的電動小轎車，即便忍著不開空調(diào)，100公里的耗電量也會到達15kWh以上，用戶體會極不理想。微觀上看，低溫下帶來了正負極資料活性的下降和電解液導電才能下降。反響到微觀上，就出現(xiàn)了容量下降，內(nèi)阻升高，放電功率下降等一系列結(jié)果。
鋰電池在低溫環(huán)境下運用受到限制，除了因為放電容量會嚴峻闌珊外，低溫下也不能對鋰電池進行充電。在低溫充電時，電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反響是一起存在的且相互競爭。低溫條件下鋰離子在石墨中的分散被抑制，電解液的導電率下降，從而導致嵌入速率下降而在石墨外表上會使鍍鋰反響更容易發(fā)作。鋰離子電池在低溫下運用時壽數(shù)下降的原因主要有內(nèi)部阻抗的添加與鋰離子析出使容量衰減。
１.低溫對電池放電容量的影響
容量是鋰電池最重要的參數(shù)之一，它的巨細跟著溫度改變的曲線如下圖所示，下圖是一款磷酸鐵鋰電池的放電曲線。磷酸鐵鋰電池，充電終止電壓為3.65±0.05Ｖ，放電終止電壓為２±0.05Ｖ，兩條曲線，是電池別離按照0.1C和0.3C在不同溫度下進行放電，得到的溫度容量曲線。十分顯著的，容量跟著溫度的升高逐步上升-20℃的容量只相當于15℃容量的60％左右。除了容量，跟著溫度下降的還有電池開路電壓。我們都知道，電池中包含能量是容量與端電壓的乘積，當兩個乘數(shù)都下降時，電池內(nèi)的能量必定是兩者下降作用的疊加。
低溫下正極資料活性下降，使得能夠發(fā)作移動帶來放電電流的鋰離子數(shù)量下降，是容量下降的根本原因。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
不同溫度和放電倍率下裡電池放電容量
２.低溫對電池內(nèi)阻的影響
鋰電池溫度與電阻的關系，如下圖所示。不同的曲線代表電池自身不同的荷電量。任何一個荷電量下，電池內(nèi)阻都跟著溫度的下降而顯著升高，荷電量越低的電芯，內(nèi)阻越大，并且這個趨勢也跟著溫度的改變而堅持不變。
低溫下，正負極材猜中，帶電離子的分散運動才能變差，穿越電極與電解液的鈍化膜變得困難，在電解液中傳遞的速度也下降，并且在傳遞進程中還會額定發(fā)作很多熱量。鋰離子到達負極今后，在負極資料內(nèi)部的分散也變得不順利。悉數(shù)的進程，帶電離子的運動都變得困難重重，在外部看來，便是電芯的內(nèi)阻升高了。
內(nèi)阻與ＳＯＣ、溫度之間關系
３.低溫對電池充放電功率的影響
下面的曲線，是充電功率跟從溫度變換的曲線。我們能夠觀察到，-20℃下的充電功率只要15℃時分的65%。這兒只說功率，低溫充電的損害十分嚴峻，這兒不展開討論。低溫帶來了前文中描繪的種種電化學層面功能的改變，內(nèi)阻明顯添加。放電進程中，很多的電能耗費在內(nèi)阻發(fā)熱上面。我們觀察到的庫倫功率下降了。電動轎車行駛進程中，就會感覺到，看起來差不多的電量，低溫下續(xù)航變短了。
充電功率隨溫度改變趨勢圖
4鋰離子電池內(nèi)部副反響
低溫下鋰電池功能退化嚴峻，一起在鋰離子電池充放電進程中會有一些副反響發(fā)作。這些副反響中主要是鋰離子與電解液不可逆的反響，會構(gòu)成鋰電池容量闌珊，使電池功能進一步惡化。
導電活性物質(zhì)的耗費，構(gòu)成容量衰減?？紤]到電池中正負兩個電極的電位，相比于正極這些副反響更有可能發(fā)作在負極側(cè)。因為負極資料電勢比正極資料電勢要低得多，離子和電解質(zhì)溶劑發(fā)作副反響的堆積物堆積在了電極外表，構(gòu)成SEI膜。SEI膜的阻抗是引起負極反響過電勢的一個因素之一。當電池進一步循環(huán)老化后，因為接連循環(huán)中鋰離子在負極上不斷地嵌入與脫出，引起的電極膨脹和收縮會使得SEI膜決裂。SEI膜決裂后的裂縫供給了電解液與電極直接接觸通道，從而構(gòu)成新的SEI膜填補了裂縫也添加了SEI膜厚度。這些反響進程跟著電池不斷地充放電而不斷重復發(fā)作，使得鋰離子在反響中不斷削減，導致鋰離子電池放電容量的闌珊。
充電時，活性物質(zhì)外表構(gòu)成的堆積物，添加了電阻。下降了活性粒子的有效外表積，添加了離子電阻。鋰電池的可用容量和能量一起發(fā)作闌珊。鋰電池在充電進程中更容易發(fā)作副反響。鋰電池充電開始時，鋰離子經(jīng)過電解液向負極運動，所以電極和電解液之間的電位差削減，使得鋰離子與電解液中的物質(zhì)更易發(fā)作不可逆的副反響。鋰離子電池電極資料的不同，它的電勢與電極資料嵌鋰濃度分數(shù)的關系曲線也不同。
5鋰電池低溫預熱技能
面對低溫下鋰電池運用受限的局面，技能人員找到的應對戰(zhàn)略是充電預熱，雖然是權宜之計，但對進步鋰電池的放電才能和長時間壽數(shù)都有顯著作用。
低溫環(huán)境下對鋰電池充電或運用前，必須對電池進行預加熱。電動轎車車載的電池辦理體系(BMS)對電池加熱的辦法大體可分外部加熱與內(nèi)部加熱兩大類。外部加熱辦法有空氣加熱、液體加熱、相變資料加熱，以及熱阻加熱器或許熱泵加熱。這些加熱辦法一般位于電池包中，或許設置在熱循環(huán)介質(zhì)的容器中。內(nèi)部加熱法加熱電池，則是經(jīng)過溝通電流鼓勵電池內(nèi)部電化學物質(zhì)，使電池本身發(fā)作熱量。
外部加熱
關于用空氣加熱的辦法，有研討人員使用電池與一套大氣模擬體系進行了試驗，試驗結(jié)果表明，相關于裸露在低溫環(huán)境中的電池，周圍空氣被加熱的電池能夠放出更多的容量。
比起空氣加熱，液體加熱具有更好的導熱率與更高的熱轉(zhuǎn)化功率?？墒且后w加熱需求更復雜的加熱體系。液體加熱在電動轎車與混合動力轎車中的應用已經(jīng)有不少實踐事例。比如：在雪佛蘭Volt轎車中，環(huán)繞電池組熱交換液，由360V的加熱器加熱。
相變資料加熱電池也已經(jīng)被運用。當電池溫度降到相變資料的相變溫度點之后，相變資料貯存的熱量會被釋放出來，堅持環(huán)境溫度恒定，也便是向電池組傳遞熱量。相變資料的主要優(yōu)勢在于其能夠用在溫度改變較迅速的環(huán)境中。
內(nèi)部加熱
溝通鼓勵加熱，相比于外部加熱來說，別的一種常用的加熱辦法，結(jié)構(gòu)規(guī)劃上會比較簡單，便是經(jīng)過交變的電流加熱電池。它不需求進行傳熱結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，只是在電池正負極加載必定頻率的溝通鼓勵，鼓勵作用在電池內(nèi)部電化學物質(zhì)上，相當于循環(huán)往復小幅值充放電的作用。
與直流加熱電流相比，溝通電流或正負方波電流在放電和充電周期內(nèi)都能夠加熱電池，使得電池溫度上升，而電池荷電狀態(tài)(SOC)基本上是不變的。因為這些特性，溝通內(nèi)部預熱辦法成為一個研討較多的范疇。2004年，國外一個研討者率先提出運用交變的電流直接對鋰離子電池加熱，僅僅使用電池內(nèi)部的電阻效應產(chǎn)熱。他們對不同的SOC狀態(tài)下和不同溫度下（-20℃~40℃）的不同的電池做了一些測驗。測驗結(jié)果表明，在必定倍率的電流下，一切電池都會快速產(chǎn)熱。
美國一個團隊對加熱頻率對加熱作用的影響進行了研討，他們在0.01Hz到2KHz不同頻率下做了仿真，并將結(jié)果與外部加熱辦法做了比較，認為內(nèi)部加熱具有顯著的優(yōu)勢。
相比外部加熱辦法，內(nèi)部加熱避免了長途徑的熱傳導和靠近加熱設備的當?shù)鼐植繜衢T的構(gòu)成。因此，內(nèi)部加熱能夠以更高的功率，更均勻地加熱電池以到達更好的加熱作用且更容易完成。不同的加熱辦法總結(jié)如下表：
現(xiàn)在對內(nèi)部溝通預熱計劃研討大多會集在加熱速度與功率上，加熱戰(zhàn)略對防備鋰堆積等副反響的發(fā)作還很少有明確的考慮。完成預熱進程中防備鋰堆積的發(fā)作，需求BMS能實時估量并操控鋰堆積發(fā)作的條件。需求根據(jù)模型的操控電池低溫下加熱技能，才能完成上述功能。跟著新能源轎車的發(fā)展，動力鋰電池的運用量也與日俱增，鋰電池低溫下運用急需解決電池預熱問題，這是一個距離實踐應用十分近的范疇。
別的，溝通加熱，調(diào)動電化學物質(zhì)發(fā)作運動，關于電池運用壽數(shù)的影響，暫時還沒有看到獲得怎樣的結(jié)論，也是值得持續(xù)關注的問題。
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