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电动汽车动力电池低温性能研究与应用

  次浏览  中国第一汽车股份有限公司  2021/04/29

引言


锂离子电池在低温条件下,充放电性能明显衰减,严重影响用户在低温时电动汽车的使用,所以动力电池低温性能的研究和应用成为动力电池系统设计的关键技术之一。结合电动汽车动力电池产品开发项目,对动力电池的低温性能、低温应用策略做了深入分析与试验验证。


本文研究对象为插电式混合动力汽车。在产品开发初期,由于动力电池低温功率偏高、电压故障阈值设置不合理的因素导致动力电池频繁报故障。通过对电动汽车动力电池低温性能研究,经过低温环境舱验证,动力电池无故障,达到了开发目标。


2动力电池低温特性、影响因素和使用要求


2.1动力电池低温特性

在动力电池产品开发过程中,对选用的单体进行不同温度下充/放电内阻测试,如图1、图2所示。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

以SOC(荷电状态)=50%为例,电池单体-25℃时的放电电阻约为25℃时的12倍,25℃时的充电电阻约为-25℃时的17倍。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

对电池系统充/放电功率台架测试,结果如图3、图4所示。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

以SOC=50%为例,电池系统-25℃时的放电功率约为25℃时的11%,-25℃时的充电功率约为25℃时的3%。通过以上分析可知,在低温使用环境下,电池单体的充/放电内阻值较常温值明显提高,电池系统的充/放电功率值明显降低。

可见,动力电池低温特性极大影响电池系统性能,从而进一步影响整车使用。

2.2动力电池低温性能影响因素

影响锂离子动力电池低温性能的主要因素如下:

(1)正极材料影响(低温放电)

锂离子电池目前主要采用的正极材料有磷酸亚铁锂、锰酸锂系、三元材料。低温时锂离子电池在放电时正极材料与锂离子的反应慢,表现在电池特性上即为电池反应内阻大;

(2)负极材料影响(低温充电)

锂离子电池目前主要采用碳类负极材料(例如:石墨、硬碳、软碳)。低温时碳类负极材料与锂离子反应活性较低,锂离子难于嵌入负极中而相对较易从负极中脱出,导致容量下降,而且容易形成锂金属枝晶沉积,影响电池寿命和安全性。低温时负极掺杂一定比例软碳能明显改善电池的低温充电性能。

(3)电解液影响

锂离子电池目前主要采用电解液为脂类(例如:EC、DMC、EMC)溶剂,电解质为LiPF6,根据电池用途不同,电解液中可以添加一定的添加剂。低温电解液的改性主要包括锂盐、溶剂和添加剂方面。功率/低温型电解液,通过加入活性较大的添加剂,可提高锂离子传导活性,在大功率/低温使用时降低电池内阻。

2.3电动汽车对动力电池低温使用要求

为满足整车在低温城市的使用,以纯电动汽车为例:一般要求整车工作环境温度-30℃~55℃。东北地区冬季气温较低,冬季长春月平均最低温度低于-15℃,极端气温会达到-25℃以下,因此,必须对动力电池低温性能进行摸底,合理设计应用策略,才能在保证电池安全的前提下最大限度发挥其性能。同时,对于插电式混合动力汽车,即使有发动机,但到了电池在低温时不能出现影响车辆正常行驶的安全故障。


3动力电池低温性能应用方案


从整车应用层面来讲,电池系统的低温应用方案主要有如下5个方面:

(1)单体低温安全电压阈值设计。该方案可保证电池单体在最大的安全电压范围内得以应用。

(2)电池系统准确的低温功率设计。该方案可保证电池性能得以合理应用。

(3)电池SOC使用窗口设计。在保证电池安全的前提下,与整车控制策略相适应,保证整车行车安全。

(4)采用保温、加热技术。该方案是提升低温性能的重要解决措施,但仍无法从根本上解决电池本体特性问题,比如长时间的低温室外驻车仍影响整车性能。

(5)限定整车使用工况、为车辆建造配套的停车暖库、充电设施等。

从电池材料层面来讲,可以采用非碳类负极材料的锂电池,如钛酸锂负极材料,在大倍率及低温使用时不容易产Li枝晶,可以解决电池低温充电时的安全问题。也可以采用其他类型的电池,如固溶体电池、燃料电池等新技术体系。


4动力电池低温性能台架测试及结果分析


结合电动汽车动力电池产品开发项目,对电池单体低温安全电压阈值、系统的低温功率、SOC使用窗口做了详细的设计方案,通过试验验证,保证了电池系统低温性能的安全、合理应用,从而保证整车的低温性能。

4.1动力电池单体安全电压阈值设计及验证

电池电压阈值的设计原则是保证安全的前提下,将电池不同级别故障电压阈值尽可能放宽。为了保证不同级别故障阈值设置的合理性,从单体层面验证电池允许的最高充电电压和最低放电电压。过充和过放试验方案分别举例如下。

过充电测试制度为:将电池调整到SOC为85%,在-10℃下静置12h,以50W恒功率将其充电至4.4V,静置10min,重复进行5次充电,记录充入的总电量C1,紧接着以0.1C电流放出C1电量,以上过程重复100次。之后将该单体拆解,通过肉眼即可看到析锂严重,如图5所示。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

4.2动力电池系统低温功率设计及验证

电池系统功率值是通过单体功率值推算所得,存在部分值高出电池实际功率能力的可能性。为了保证功率值的准确性,综合考虑电池寿命过程中内阻的增加等因素,选取部分典型功率值,从电池系统层面对电池进行功率复验。测试电池在不同温度不同SOC下,按照恒功率充放电的持续时间是否可以满足整车需求。


以-25℃、SOC=15%为例,电池在该状态下以11kW恒功率放电2s(整车要求10s)即达到截止电压,说明11kW偏高,紧接着将功率值适当降低至8.5kW,持续到截止电压的时间为4.2s,仍然低于10s,继续下降到6kW,持续时间11.4s,满足整车需求。根据测试结果将该点的功率值由11kW下调为6kW。


整体测试结果显示功率Map中有12%的功率值偏高,将这些功率值逐个进行降低验证,保证所有功率值不超出电池实际能力。避免因为功率设置偏高,导致电池低温应用过程中出现过充电或过放电故障,影响整车正常运行。


4.3电池SOC使用窗口设计

低温下电池的性能衰减严重,为保证电池安全性及寿命要求,应调整电池的SOC使用区间,适当提高窗口的下限值。确定该下限值时应考虑整车的功率需求、环境温度的变化以及SOC估算误差。以某款插电式混合动力汽车为例,在-20℃环境温度下,车辆起动时对动力电池的需求瞬时功率为7kW,考虑环境温度可能骤变5~10℃,SOC估算值可能存在5%左右的误差,根据电池功率Map,将环境温度-20℃的SOC使用下限设置为25%,对应电池功率Map中瞬时放电功率为14.4kW。这样,当环境温度为-20℃时,整车行车过程保证SOC高于25%,停车后即使环境温度下降一定幅度内也能正常起动车辆。


低温环境通过设置不同的SOC使用窗口,能够保障在电池能力范围内使用,避免出现电池故障,又能满足整车的功率需求。低温SOC使用窗口的设计是电池安全性和整车经济性的平衡过程。提高SOC下限使用窗口会导致整车在低温下发动机启动频繁,增加整车油耗。这种设计思路是确保安全第一的设计原则,后续需要通过提升电池单体一致性以及降低单体内阻,从而放宽低温SOC使用窗口,改善油耗。


4.4实车验证

通过以上设计后,动力电池搭载整车进行环境仓试验。选取-20℃进行整车验证,试验前将后备箱打开寝车12h,如图6为运行WLTC(全球轻型车测试循环)工况下的电池SOC、最低温度和电流。试验结果表明,低温环境下电池系统安全可靠工作,未报故障。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

图7为WLTC工况运行过程中动力电池单体最高电压,如图所示,整个过程电池最高电压为4.108V,低于电池单体安全工作电压阈值4.2V。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用
电动汽车动力电池低温性能研究与应用

图8为WLTC工况运行过程中动力电池单体最低电压,如图所示,整个过程电池最低电压为2.848V,高于电池单体下限安全工作电压阈值2.1V。图9为工况运行过程中单体压差,如图所示最大压差275mV,低于低温压差报警值350mV。

电动汽车动力电池低温性能研究与应用

5结论


动力电池低温性能衰减不可避免,在保证电池安全的前提下,对其低温性能摸底测试才能进行最合理的应用,从而更好的满足整车使用需求。通过对动力电池低温性能的研究,从电池单体、系统和应用等角度提出低温应用方案并试验验证,有效地保证了电池在安全的前提下得以充分应用。

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