车用动力锂电池特性研究

车用动力锂电池部分特性研究

陈汉平

机电工程系精密仪器及机械19920121152741

摘要: 纯电动汽车和混合动力汽车将是以后汽车行业的发展方向。动力锂电池因其体积小、能量密度大而成为今后电动汽车主要动力来源，因此有必要对动力锂电池的特性进行研究。文章首先对各类锂电池进行比较，其次对磷酸铁锂的相关特性进行分析，最后分析工作环境因素对电池特性的影响。通过对锂电池特性充分研究，有利于今后电动汽车电池的优化和改进，提高电动车的续航和整体性价比。

关键字: 电动汽车动力锂电池特性影响

Abstract:the EV and HEV will be the development direction of the car industry in the future. Because of the small size and large energy density, the power lithium batteries will become the main energy source of EV and HEV. So it is necessary to research the dynamic characteristics of the lithium battery. Firstly, all kinds of lithium battery would be compared in this paper. Secondly, all kinds of characteristics in LiFePO4 battery and LiMn2O4 battery are put on analysis and comparison. Finally, the influence between working environment and characteristics of battery is analyzed. With fully researching on characteristics of lithium battery, it will be good for optimizing and improving the electric range and overall performance in the future.

Keyword:EV (HEV) power lithium battery characteristic influence

1引言

目前的大型电动公交或其他电动汽车一般是采用铅酸电池来作为动力，但是铅酸电池有着能量密度低、重量大、单体电压低（2V）等缺点而无法克服。锂电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点，在未来汽车动力方面将得到了广泛的应用。动力锂电池的特性，一般是指单个锂电池的特性，如充放电特性、容量特性、内阻特性等。本文将做三部分的研究：1.对各种常用类型的锂电池进行比较，选出最适合电动汽车用的动力锂电池，即磷酸铁锂和锰酸锂；2.对磷酸铁锂主要特性进行分析，并就某些特性与铅酸电池进行对比，以此来进一步说明用锂电池取代铅酸电池的优势和必要性；3.分析外界工作环境对锂电池特性的影响。

2常用的锂电池比较

表2-1 不同化学成分锂电池比较

考虑到电动汽车的工作环境，在EV和HEV中，电池的工作温度一般会达到100℃以上，所以必须要求锂电池具备较好的热稳定性，从表2-1看出，锰酸锂、磷酸铁锂都能较好的满足条件[1]。

磷酸铁锂安全性，稳定性最好，成本最低，循环次数最长，但其有着比能量低，单体电压低的缺点。对于纯电动汽车或混合动力汽车，其工作电压一般都要在300V以上，这就需要大量的锂电池单体进行串联，而磷酸铁锂的单体电压低也就意味着相对锰酸锂需要更多的单体，带来的结果就是更大更重的电池组，这是磷酸铁锂电池的硬伤；相对而言锰酸锂安全性，稳定性，虽不及磷酸铁锂，但比钴酸锂、三元材料来说有着很好的优势，同时单体电压可达3.6-3.7V，比能量较磷酸铁锂高，是一种很好的折中选择[2]。故现有电动车多采用磷酸铁锂、锰酸锂两种材料的锂电池。以下特性研究测试均采用磷酸铁锂来进行。

3磷酸铁锂电池主要特性分析

3.1 实验用磷酸铁锂电池参数

表3-1实验用磷酸铁锂电池的相关参数

3.2 磷酸铁锂电池的容量特性

对于容量特性，主要是考察磷酸铁锂电池从满电状态恒流一次性放电至截止电压时共放出的容量。影响电池容量计量的因素有：①电池的充放电规则,电池的充电方法必须在不同的充电循环间保持一致,以保证各次容量之间的可比性; ②环境温度和放电过程中的温度改变,环境是指电池周围存在的、温度恒定且均一的空间; ③电池的放电电流,在恒流放电实验中,电池放电的电流大小不同,表现出的容量也有不同; ④其他因素,如电池的循环性能衰减。充放电程度越深,容量衰减越严重[3]。

磷酸铁锂电池采用恒流-恒压充电方法，1/3C（约 3.67 A）恒流充电至3.65V 转恒压充电，充电电流下降到0.1A后10min即停止充电，静置1h。

磷酸铁锂电池的放电截止电压设计为2V。环境温度为室温（约25℃），根据此条件进行实验，变温实验除外（变温度实验应在特定的复杂条件中）。测试得出磷酸铁锂电池的恒流放电端电压变化曲线如图3-1所示。纵坐标为端电压，横坐标为放电时间。

图3-1 磷酸铁锂电池恒流放电端电压变化曲线

可以看出，容量曲线没有随着电流的变化而单调变化，值得说明的是，由于放电过程中电池本身的温升会导致放电电流越大，温升越显著。对于磷酸铁锂电池来说，在放电电流不是很大时，中间一段过程，端电压变化非常小，基本是一条与x轴平行的线，故对锂电池单使用OCV作为估算SOC指标，算上硬件电路的噪声，ADC精度位数有限，以此估算的SOC可靠性很低，故市面上采用此法做电量估算的管理系统对电量的有效控制均非常差。

通过安时法估算，即可平均求得磷酸铁锂电池的容量特性变化。

3.3 磷酸铁锂电池的放电特性

以STL18650磷酸铁锂电池为例子来分析锂电池的放电特性，图3-2为在不同的放电率时锂电池的放电特性。最小的放电率为0.5C，最大的放电率为10C，五种不同的放电率形成一组放电曲线。由图3-2中可看出，不管哪一种放电率，其放电过程中电压是很平坦的（即放电电压平稳，基本保持不变），只有快到终止放电电压时，曲线才向下弯曲（放电量达到800mAh以后才出现向下弯曲）。在0.5～10C的放电率范围内，输出电压大部分在2.7～3.2V范围内变化。这说明该电池有很好的放电特性。

图3-2 STL18650在不同放电速率下的放电特性曲线

在不同的放电速率下，STL18650能保持着较为统一完整的放电速率曲线，只有到放电容量即将完全时才出现较大幅度的下降趋势。考虑到锂电池是工作在温度跨度较大的环境中，所以需要对不同温度下的锂电池放电特性进行研究，通过做实验，可以得到如图3-3的放电曲线，从该图可以看出，锂电池在23℃时放电容量为100%，在0℃时的放电容量降为78%，而在-20℃时降到65%，在+40℃放电时其放电容量略大于100%[4]。

由此可见，在不同温度下，锂电池的放电容量和放电曲线变化明显，可以推测，锂电池在-20℃下工作时，其输出的能量要降低35%。

图3-3 STL18650在不同温度下的放电特性曲线

3.4 磷酸铁锂电池的内阻特性

电池电极上无外电流通过时电极处于平衡状态，其对应的电势是平衡电势。当有电流通过电极时，电极电势将偏离平衡值，这种偏离平衡的现象称为电极的极化。电池的极化可以分为活性极化、欧姆极化和浓差极化三类[5]。

活性极化主要与电极化学反应有关，欧姆极化主要与材料电阻有关，浓差极化主要与电池内部的物质扩散有关。与极化过程对应，电池内阻可分为欧姆内阻、活化极化内阻和浓差极化内阻，三者之和称为电池的总内阻。通过以上实验，得到磷酸铁锂电池单体在整个SOC 区间上的充放电总内阻、欧姆内阻与极化内阻曲线。

图3-4 电池各内阻与SOC的关系

磷酸铁锂电池单体的内阻曲线呈现以下的特点：在上图中较宽广的SOC 范围内，即SOC=[0.1,1]的区间内，电池的欧姆内阻变化很小，而在较低的SOC 区间内，随SOC 的降低欧姆内阻出现增长，但幅度不大；对于极化内阻，在放电极化内阻曲线上，SOC 较低时，放电极化内阻急剧增加；电池的总内阻在SOC=[0.2,1]的区间内，有充电总内阻大于放电总内阻，这是由于充电极化内阻大于放电极化内阻而导致的。而在SOC 较低处，电池的充电极化内阻的增幅小于放电极化内阻，从而导致在较低的SOC 区间内又有充电总内阻小于放电总内阻。需要说明的是，同一电池的内阻随循环增加将发生变化，同一类型的不同电池单体，其内阻也不尽相同，对电池的其他参数如容量等，也存在类似规律。

若做简单处理，在SOC=[0.2,1]此区间内，可认为放电内阻为恒定值，在SOC=[0.1,1]的区间内，认为充电内阻为恒定值，以此值作为修正SOC的参数。

3.5 锂电池与铅酸电池的开路电压与SOC关系对比

图3-5(a) 磷酸铁锂电池SOC-OCV关系曲线

图3-5(b) 锰酸锂电池SOC-OCV关系曲线图3-5(c) 铅酸电池SOC-OCV关系曲线

比较以上三类电池的曲线可看出，磷酸铁锂电池曲线在SOC=40%到70%的区间内，电池的OCV 变化极小，而在SOC 的两端区间（尤其是<20%和>80%）的区间内，OCV 的变化率较大，整个磷酸铁锂的曲线呈现中间区域平坦，头尾两端陡峭的形态；锰酸锂电池的SOC-OCV 曲线在SOC>20%的区域上呈现出较好的线性上升形态，而SOC<20%的区域内也可用另一线段近似，但其斜率更为陡峭，SOC=20%可认为是两线段的拐点；铅酸电池的SOC-OCV 曲线在整个SOC 区域都呈现较好的线性，仅SOC 首尾部分有轻微的变型。

SOC-OCV 曲线对于设计电池的SOC 估算方法有着极其重要的作用，不同种类电池的曲线形态不同，其SOC 的算法设计和估算精度也将出现明显差异。

以此可以得出结论：若同样采用开路电压法估算SOC，铅酸电池效果最佳，而锰酸锂电池其次，若加之算法判定，使用2条直线近似逼近，效果更佳，但若使用开路电压法估算磷酸锂电池，效果应该不是很好，在[20%,80%]区间呈现的线性斜率非常小，即电压变化太小，加之硬件电路的误差，如ADC分辨率的局限，电阻匹配，运算放大

器的偏置电压、电流等因素，估算出来的SOC误差很大，故需另辟蹊径。

以上部分只讨论对比了磷酸铁锂电池的容量、充放电、内阻、开路电压和SOC的关系这些较为主要的特性，基于实验平台的限制，无法对锂电池的寿命、疲劳等特性进行研究。

4环境温度对电池特性的影响

4.1 环境温度对电池容量的影响

同一型号的6 块磷酸铁锂电池分别置于-40℃、-20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下进行充放电过程，电池放出的容量如图所示。

图4-1 电池容量与环境温度的关系曲线

由图4-1可以看到，温度越高，磷酸铁锂电池表现出来的容量特性越好，考虑到磷酸铁锂电池本身热稳定性在锂离子电池中最好，是否电池组的工作温度较高会更好呢？

此点未进行进一步的探索，应结合实际使用的安全因素统一均衡考虑，从图中也可以看到，锂电池工作在20℃常温及以上的容量是最理想的，但在0℃以下，锂电池的放电容量就迅速的下降，这意味着如果长时间在0℃下工作的话，会对锂电池的容量和寿命造成一定的损伤，且在低温条件下，车辆的起动性能会变差。

4.2 环境温度对电池内阻的影响

图4-2 环境温度对电池内阻的影响

观察以上各图，可得如下结论：

(1)在较宽的SOC 区间内，如SOC 处于0.3 到 1 之间的范围时，同一温度下

电池的内阻基本上不变。而在SOC 较低的情况下，如SOC 小于0.1 这一区间，电池的内阻随着SOC 的降低而增加。

(2)随着温度的降低，电池充放电总内阻均增加。

(3)由充放电欧姆内阻两图可以看出，25℃虽然是10℃和40℃的中位温度，但是

25℃曲线明显地更倾向于40℃曲线。也就是说，相比高温，电池欧姆内阻的变化对于低温更加敏感，变化的速率在低温下更大[6]。

(4)随着SOC 的降低，10℃下电池的充放电极化内阻的上升要早于25℃和40℃

曲线的上升。10℃环境温度下，电池的极化内阻在SOC 小于0.5 时就表现出上升迹象，而25℃和40℃曲线上，直到SOC 小于0.1 才能观测到极化内阻的显著上升。

温度越低，随着SOC 的降低，其极化内阻上升的越早，这一现象与低温下浓差扩散速度的减慢有关。

由此可以得出结论，较高的工作温度下，电池有着更好的放电容量，以及变化率更小的内阻，这对于电池组的使用率提高，SOC的精确估算都有着很大的优势，故应在安全的指标下，适当让锂电池工作在较高温度下。

5结论

本文首先对4种常用的动力锂电池进行分析对比，得到磷酸铁锂材质的锂电池最适合用于电动汽车的结论，并对磷酸铁锂电池的特性进一步的分析，最后考虑到工作温度是电动汽车用锂电池的主要影响因素，所以分析了环境温度对磷酸铁锂电池特性的影响。文章研究深度适中，可为上层对电动汽车用锂电池的管理使用提供了一定了参考价值。

参考文献

[1] 尹政，张鹏波，杨永广，等．车用锂电池充电技术综述[J]．内燃机与动力装置，2010（03）：

1-6+29．

[2] 刘灵芝．锂离子电池管理系统研究[J]．安庆师范学院学报(自然科学版)，2008（02）：

50-52+78．

[3] 李哲，仝猛，卢兰光，等．动力型铅酸及LiFePO_4锂离子电池的容量特性[J]．电池，2009

（01）：26-28．

[4] 王志福，彭连云，孙逢春，等．电动车用锂离子动力电池充放电特性[J]．电池，2003（03）：

167-168．

[5] 张庆，李革臣．锂离子电池充放电特性的研究[J]．自动化技术与应用，2008（12）：107-109．

[6] 李哲，韩雪冰，卢兰光，等．动力型磷酸铁锂电池的温度特性[J]．机械工程学报，2011

（18）：115-120．