充电倍率对高功率型磷酸铁锂动力电池循环寿命影响的研究

刘仕强，卜祥军,白广利,陈立铎,闫晓晓,王 芳

(1.中国汽车技术研究中心有限公司， 天津 300300；2.天津大学 化学工程和技术学院， 天津 300192)

针对充电倍率对动力电池的影响，国内外学者开展了相应的研究和验证。其中，Jun Li等[4]以钴酸锂18650电池为对象，研究了脉冲充电与传统直流充电的差异，发现脉冲充电可以降低充电时间，延长电池寿命，有效维持正极的稳定和延缓负极SEI膜厚度的增长。Sheng Shui Zhang等[5]以18650电池为对象，研究了恒流、恒功率、多阶段恒流等3种充电方式对电池寿命的影响，研究结果显示：快速充电会加速电池容量的衰减。L.Somerville等[6]以18650电池为样品开展了不通倍率充电的试验研究，研究结果表明：提高充电倍率会加速电池内阻增长和容量衰减，对于0.7C～4C倍率充电的样品，其性能衰减主要源自界面膜的厚度，但是对于6C充电的样品，其界面膜的组分发生变化，成为样品快速衰减的主要原因。

本文以不同充电倍率对功率型磷酸铁锂动力电池循环寿命的影响为研究主题，通过开展不同充电倍率的寿命试验，验证在不同的充电电流下试验样品性能的衰减规律及寿命与充电倍率的关联关系[7-10]。

1 试验

1.1 试验样品

本文采用的研究对象为美国A123的高功率型26650磷酸铁锂体系动力电池，其详细参数如表1所示。

表1 试验样品详细参数

项目参数C/3额定容量/Ah2.5C/3额定能量/Wh8.25 50%SOC 10 s放电峰值功率/(W·kg-1)2 600最高电压/V3.6最低电压/V2.0充电温度/℃-30～55放电温度/℃-30～55最大持续充电电流/A15最大持续放电电流/A15最大脉冲放电电流/A120直径/mm26长度/mm65体积/cm334.5 质量/g76

1.2 试验平台

试验平台由单体充放电设备(美国必测 MCV 12-5-100及数据采集系统)、高低温恒温箱(巨孚ETH-1000)、数据记录仪(日本HIOKI MR8875-30)、被测样品及上位机构成，见图1。

图1 试验平台监控系统示意图

在试验中，上位机控制充放电设备对试验样品进行充放电试验，恒温恒湿箱提供高低温环境，数据记录仪监控试验样品的电压、电流和温度等详细参数。

在试验过程中，将电池样品放置在30 ℃恒温环境内，避免由于环境温度变化对测试结果产生影响。通过上位机软件控制充放电设备完成寿命及性能测试，借助充放电设备及数据记录仪实现数据的记录和存储。

1.3 试验过程和方法

本文参考GB/T 31484—2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》[7]开展寿命测试和放电功率密度测试。具体测试内容如表2所示。

号一模一样，再借着路灯灯光一看，不仅车牌号被套了去，连车型和颜色都和他的车一模一样。冯一余大声喊了起来，这是谁的车？谁套用我的车牌！半夜里，街上一个行人也没有，冯一余再上前细看时，车窗摇了下来，一个男人探出脑袋说，嘿，我找到停车的地方了。冯一余一看，竟是他自己，顿时失声大喊起来，不可能，不可能，这不是你的地盘。

1.4 放电内阻和功率测算方法

在开展5 s放电功率密度测试时，样品电压变化曲线如图2所示。当加载电流的瞬间，电池端电压会瞬间下降，然后电压会缓慢下降。试验中数据采集的时间间隔为0.1 s，主要获取表征动力电池欧姆内阻的0.1 s放电直流内阻和5 s放电直流内阻，并参考FreedomCAR的《功率辅助型混合动力汽车用动力电池测试手册》[8]，计算5 s可用放电功率。

(1)

(2)

(3)

Pinstant=UC·I

(4)

表2 试验过程及方法

试验描述重复次数性能测试① 在30 ℃下,12只电芯进行性能 测试。 测定1C恒流放电容量; 1C充电至3.6 V,然后恒压至电流 减小为125 mA; 静置30 min; 以1C恒流放电至2.0 V; 静置30 min。② 2.5 s功率密度测试 充满电后静置30 min; 以1C放电1 800 s; 以45 A脉冲放电5 s; 以1C恒流放电至2.0 V。1寿命测试在30 ℃下,将12只电芯分成4组(每组3只),按照以下流程开展试验:① 以不同倍率(1C、2C、4C、6C)快速 充电至3.6 V,然后恒压至125 mA;② 静置30 min;③ 以1C恒流放电至2.0 V;④ 静置30 min;⑤ 重复步骤①～④共100次。10性能测试寿命试验中,每隔100次开展性能测试,包括:① 1C恒流放电容量;② 5 s功率密度。10

图2 5 s放电功率密度测试示意图

2 结果与分析

按照表2中规定的试验方法和顺序开展不同充电倍率的寿命试验和性能测试，获取了试验样品在不同循环次数下的放电容量、放电直流内阻、放电功率等表征参数。

2.1 放电直流内阻

通常情况下，在对电池施加电流的瞬间产生的电压降认定是欧姆内阻引起的。因此，在此次研究中，课题组将0.1 s时的电压降计算得到的内阻定义为欧姆内阻。图3为不同充电倍率下样品的欧姆内阻随循环次数的变化曲线。

图3 不同充电倍率欧姆内阻变化曲线

从图3中可以看出:随着倍率的增加，欧姆内阻的变化呈现不同的规律。在1C倍率下，内阻变化基本呈线性增长的趋势。当充电倍率大于2C时，内阻变化的趋势发生变化，由线性衰减变成非线性，并且随着循环次数的增加，增长速度变大。不同倍率下，拐点的位置也不相同。从图3中还可以看出：2C的拐点在1 000次，4C的拐点在800次，6C的拐点在400次。从拐点位置看，随着充电倍率的增大，拐点出现得越来越早，说明动力电池在大倍率充电时性能衰减速度加快。

根据式(2)，课题组同时对样品的5 s放电直流内阻进行了测算，详见图4。

图4 不同充电倍率5 s放电直流内阻变化曲线

从图4中可以看出：5 s放电直流内阻的变化趋势与欧姆内阻的趋势基本一致。不同充电倍率导致内阻增长率呈现不同的规律。在1C充电倍率下，样品的5 s放电直流内阻变化较小，呈小幅上升趋势。在充电倍率高于2C时，变化较大，呈现先线性增长、后加速增长的相同趋势。并且拐点位置基本与欧姆内阻保持一致。

2.2 放电功率

动力电池的放电功率是其重要表征参数之一。课题组根据式(3)和式(4)分别测算了样品的5 s脉冲放电的瞬态功率和可用功率，如图5、6所示。

图5 不同充电倍率5 s放电瞬态功率变化曲线

图6 不同充电倍率5 s放电可用功率变化曲线

从图5、6中可以看出：无论瞬态放电功率还是可用放电功率均随着循环次数的增加不断衰减，但是在不同的充电倍率条件下，衰减规律和衰减速率有明显差异，说明充电倍率的差异影响了样品放电功率的变化。在1C倍率条件下，样品的瞬态放电功率和可用放电功率衰减较小，基本保持不变。但是当充电倍率高于2C时，样品的放电功率均呈现了明显的衰减，并且在衰减幅度和衰减速率上，可用放电功率的衰减明显高于瞬态放电功率。

2.3 放电容量

作为表征电池健康状态的重要参数，放电容量通常作为健康状态判定的关键指标。在寿命试验中，每隔100次进行1C放电容量的标定测试，以此分析试验中样品放电容量的变化情况，结果如图7所示。

图7 不同充电倍率放电容量变化曲线

从图7中可以看出：随着循环次数的增多，样品的放电容量均呈现衰减的趋势，但是衰减规律受充电倍率的影响较大。在1C倍率条件下，样品的放电容量基本呈线性衰减。但是当充电倍率高于2C时，在经过一定次数的线性衰减后，样品放电容量呈现加速衰减的趋势。而且不同充电倍率条件下，衰减速率和衰减幅值有明显差异，充电倍率越高，衰减越快，线性转成非线性的拐点出现得越早。

针对放电容量的衰减曲线，本课题组进行了二次多项式拟合，具体拟合结果如表3所示。

表3 不同充电倍率放电容量拟合结果汇总

拟合公式:y=a+b·x+c·x2参数abcR21C-0.000 465-3.038 86E-5-2.002 54E-80.986 822C-0.007 404.205 22E-5-1.178 05E-70.952 814C-0.007 639.961 55E-5-3.406 3E-70.975 026C-0.003 869.706 26E-5-6.175 88E-70.985 89

从表3中可以看出，拟合结果的R2较高，说明拟合结果的吻合度较高。进一步对各系数进行分析后发现，影响衰减率的系数与放电倍率之间存在一定的关系，如图8、9所示。

图8 拟合系数b与充电倍率的对应关系

图9 拟合系数c与充电倍率的关系

从图8中可以看出：拟合系数b随着充电倍率的增大而变大，当充电倍率高于4C后，基本保持不变。而在图9中，系数c的绝对值随着充电倍率呈严格的线性关系。课题组对系数进行线性拟合后的结果如表4所示。

表4 放电容量衰减公式中系数再拟合结果

根据表3、4的拟合结果，推导该样品在不同充电倍率条件下的放电容量衰减模型：

1) 充电倍率(1C～4C)

y=a+(ab+bb·N)·x+

(ac+bc·N)·x2

(5)

2) 充电倍率(>4C)

y=a+C·x+(ac+bc·N)·x2

(6)

其中：N为充电倍率；x为循环次数。式(6)中的C为定常数。

3 结论

本文以高功率型26650磷酸铁锂动力电池为研究对象，通过开展不同充电倍率的循环寿命试验，验证了充电倍率与动力电池性能衰减和寿命变化的关联关系。通过测算分析放电直流内阻、放电功率和放电容量等关键表征参数，建立该样品在不同充电倍率下的循环寿命模型，研究结果表明：

1) 样品的欧姆内阻和5 s放电直流内阻随着循环次数的增多不断增大，充电倍率会影响放电直流内阻的变化规律。在1C倍率下，放电直流内阻变化较小；当倍率大于2C时，内阻的变化呈先线性后加速的趋势，并且随着充电倍率的增大，对应的拐点出现的时间更早。

2) 样品的5 s瞬态放电功率和可用放电功率呈现基本一致的衰减趋势，随着循环次数的增多，放电功率不断衰减。充电倍率对放电功率的衰减速率和衰减幅值均产生影响。

3) 样品1C放电容量随循环次数的衰减规律呈明显的二次多项式的趋势，符合式y=a+b·x+c·x2。课题组通过对各系数进行研究和分析，得到了不同充电倍率下样品的放电容量变化模型，如式(5)(6)所示。

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