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亿纬锂能-加热策略对磷酸铁锂电池低温放电的影响

2021-11-22 16:30:36·  来源：电动学堂  作者：邱世涛等  
　
文章来源：惠州亿纬锂能股份有限公司1前言磷酸铁锂电池安全性和循环寿命具有很大优势，在新能源和储能当中广泛应用，人们对新能源汽车安全性的重视和续航里程的
文章来源：惠州亿纬锂能股份有限公司
1前言
磷酸铁锂电池安全性和循环寿命具有很大优势，在新能源和储能当中广泛应用，人们对新能源汽车安全性的重视和续航里程的追求，并且随着技术的发展，成组效率提高，磷酸铁锂电池在乘用车中应用的也逐渐增加；但磷酸铁锂电池在低温条件下电性能受很大影响，甚至丧失放电能力，严重影响电池的使用，因为低温条件下电解液黏度增加，锂离子迁移困难，并且低温下电池内部化学反应速率低，极化内阻大。改善磷酸铁锂电池在低温环境下电性能，成为技术发展中难点之一，必须对电池进行加热。
加热可分为两类，一类是外部加热，另一类为内部；内部加热可以实现更快的加热速度和更高的加热速率，内部加热的有在电芯内部嵌入镍片，实现自加热，这种方式虽然加热效率高，但难以实现量产，并且安全性和可靠性无法保证；另一种是电流激发预热，包含直流预热、交流预热、脉冲电流预热，脉冲电流预热是经过不持续的大电流放电使得电池内部的欧姆阻抗产生热量，从而完成对锂离子电池的预热。
外部加热主要有空气加热，液体加热和加热器预热等方式，空气加热通过加热系统对外部空气进行加热，然后在风扇的作用下进入电池组，对电池进行加热；液体加热则比空气加热具有更高的导热系数，因此传热效率更高，通过加热系统对电池底部流通的液体进行加热处理，再通过液体流动实现对电池预热，相比之下，液体预热系统也更加复杂。加热器预热主要在电池侧面布置加热膜来实现。实验采用加热膜对电芯实施不同加热策略对其预热，研究在低温条件下对放电过程的影响。
2实验过程
实验电芯正极采用LiFePO4材料，负极采用石墨材料，制作为方壳电芯，电芯尺寸为210*174*74mm(高度*宽度*厚度，高度不包含极柱)，标称容量为280Ah，标称电压3.2V。
先对电池进行充电处理，25℃恒温箱中搁置6h，以0.5C恒流充电至3.65V转恒压充电，至电流降至0.05C截止，充电完成静置30min；在-20℃恒温箱下放置电芯温度降至-20℃且稳定，再以一定的放电工步放电至2.0V，放电开始时开启相应的加热策略，通过直流电源设定相应的电压与电流给加热膜供电加热，加热膜尺寸为W*H=100*150mm；整个测试过程采用k型热电偶采集电芯大面中心温度，测试示意图如图1所示，电芯大面贴合加热膜，再贴合1mm隔热材料，以免加热膜和电芯自身产生的热量传递到夹板，影响实验结果，最后再用10mm厚度夹板固定。

3实验结果
3.1不同放电倍率
将100%SOC电芯在低温-20℃以0.1C、0.3C、0.5C倍率放电至2.0V，从图中可知，随着放电倍率的增加，电芯放电能量和放电末的温度增加，0.1C、0.3C、0.5C倍率放电能量依次为678.65、713.7、796.05Wh，放电末期温度依次-5、16.4、33.4℃；根据温度曲线可知，小倍率放电前期温升缓慢，中期温度趋于平稳，主要是由于锂离子之间的排斥力小，随着放电电流越大，温升速率越大；但放电末期，温度均上升急剧，原因是正极中的锂离子浓度越来越大，离子之间的排斥力增大，锂离子更难迁移到正极材料晶体结构中，使得电芯的欧姆内阻和极化内阻急剧增加[9-10]，内阻产生的热量急剧上升。

3.2不同加热时间
车辆在行驶过程中主要以小倍率放电形式，在短时间加速过程中，短时间大倍率放电，所以在测试过程中，以0.1C倍率放电至2.0V，在放电时同步开启加热策略，设置输出恒定功率的直流电源，单片加热膜的功率为20W，电芯双面2片加热膜共同作用，加热总功率为40W，加热时间设置为1、2、3h。
从图中可知，随着加热时间的增加，放电能量略有增加，减去加热膜消耗的能耗，本文中定义放电能量与加热膜加热过程中消耗的能量差值为净放电能量；加热1h净放电能量相对于无加热策略的放电能量增加了11.26Wh，有微小的促进作用；但加热2h和3h与无加热策略的相比反而减小，说明这种加热策略对放电能量没有改善作用；从温度曲线可以看出，加热过程中，电芯温度急剧上升，停止加热后，温度下降迅速，与无加热策略的放电过程的温度曲线相近，说明停止加热后，电芯散热快，放电过程中产生的热量不足以维持电芯的温度恒定；另一方面，电芯本体温度和环境温度差值大，加快电池热量的传递和散失，使得电池温度下降快。
从放电电压曲线可知，在放电初期，随着温度的升高，电压存在一个上升过程，主要原因是，加热开启，热量传递到电芯内部，降低了电解液的黏度，增强了电解液的流动性，减小锂离子脱嵌与迁移阻力，从而降低内阻，减小电池内部的分压，温度上升的同时加快电池内部化学反应速率，停止加热，电压停止上升。
总体来说这种加热策略对电池净放电能量没有明显改善，应用可能性较低。

3.3不同加热功率
综上述实验可知，大功率加热策略改善效果不明显，另外延长加热时间，虽然能够提升电池温度，但停止加热后，电芯本体温度和环境温度的温差大，加快电池热量的传递和散失，依旧无法维持电芯温度，另外加热膜消耗的能量较大，不经济；因此本实验采用相同的加热膜，放电倍率均为0.1C，设置不同的加热功率和时间，有40W加热1h，20W加热2h和5W加热8h共三组，实验加热过程均消耗40Wh能量。
40W功率加热1h，放电能量729.91Wh，净放电能量为689.91Wh；20W功率加热2h，放电能量747.62Wh，净放电能量为707.62Wh；5W功率加热8h，放电能量747.51Wh，净放电能量为707.51Wh，相对于无加热策略的增加了28.86Wh。从温度曲线可看出，5W加热功率的电芯温度在中期比其他加热策略的温度更高，电池内部的反应速率更快；其他加热策略在停止加热后，电芯温度下降迅速，在放电末期温升更大，说明极化产生的热量更多。
从放电电压曲线可看出，采用加热策略，能够延长电芯在3V左右的放电时间，从而延长放电过程，促使放电能量的提升。

4结论
低温条件下，随着放电倍率的增加，电池的温升速率加快，从而加快了电池内部的化学反应速率，电池的放电能量提高。
大功率短时间加热策略虽然能够提高电池温度，提升反应速率，但是停止加热后，电池与环境温度差值大，使得电池散热和降温迅速，最终和不加热温度相接近，对电池放电能量没有明显提升，并且大功率加热方式，消耗的能量多。
采用小功率长时间加热策略，不仅在加热过程中消耗的能量更少，并且能够长时间保持电芯温度，加快电池内部反应速率；能够延长在3V左右的放电时间，从而提升放电能量。
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