一款电动汽车用锂离子电池循环过程中的性能研究

龚明光　朱强　范恒斌

摘 要：以一款市售的40Ah三元离子电池为研究对象，研究其在充放电循环过程一致性的变化、高低温放电性能以及倍率充放电性能。结果表明，随着循环次数的增加，样品的容量一致性变差，低温特性和倍率充电性能变差，而高温放电特性和倍率放电性能基本无衰减。

关键词：锂离子电池 循环 性能

Study on the Performance of Lithium-ion Battery in Electric Vehicle during Cycling Test

Gong Mingguang Zhu Qiang Fan Hengbin

Abstract：A 40Ah ternary lithium-ion battery was used as the research object to study its consistency change， high and low temperature discharge performance and rate charge and discharge performance during the charging and discharging cycle. The results show that with the increase of the number of cycles， the consistency of the sample capacity becomes worse， the low temperature characteristic and the rate charge performance become worse， while the high temperature discharge characteristic and the rate discharge performance are basically not attenuated

Key words：lithium-ion battery， cycle， performance

1 引言

近幾年来，新能源动汽车产业蓬勃发展，动力锂离子电池作为电动汽车的主要动力来源，在整车应用中仍然占据最重要的位置之一[1-3]，电池性能的优劣仍然直接影响电动汽车的整体性能。然而随着电动汽车数量的增加以及电池系统的能量密度不断攀升，电动汽车的电性能投诉率以及起火事故逐步增加，其中续航里程是其中一个重要的电性能投诉焦点。目前针对动力锂离子电池性能研究较多的仍然是集中在未经过充放电的新鲜电池以及寿命末期的电性能和安全性能[4-5]，而在充放电循环过程中叠加温度特性和倍率充放电特性的研究相对较少。

本文以一款市售的40Ah三元锂离子电池为研究对象，研究其在循环前后以及循环过程中的容量一致性、倍率充放电以及高低温放电性能的变化规律。

2 试验方法

2.1 试验对象和搭建测试平台

本文选择一款电动汽车用40Ah三元离子方形铝壳电池，其正极材料为镍钴锰三元，负极为人造石墨，电池标准充放电电流倍率均为1C。电池电性能测试平台主要包括电池充放电测试设备、环境箱和数据采集设备，其中电池充放电测试设备为青岛迪卡龙，型号MCY100-05-8ME，电压量程0～50V，电流量程1～100A，环境箱厂家为无锡南亚，温度范围-40～120℃，温度波动度±2℃，数据采集设备为日置LR8400-21，用于采集试验过程中的温度。采用型号日置内阻仪测试电池在1kHz下的交流内阻。

2.2 试验流程

室温条件，首先对6组样品进行初始电性能测试，电性能测试包括不同充放电倍率对应的充放电容量测试、满电态内阻测试、倍率充放电和高低温容量测试，然后进行充放电循环，每250次循环后进行内阻、倍率充放电和高低温容量测试，其中充电电流倍率为2C，放电电流倍率为2.5C，低温测试温度为-20℃，高温测试温度为45℃，直到循环次数达到1000次（N=4）。

3 结果与讨论

3.1 初始性能分析

3.1.1 不同放电倍率放电性能

分别采用0.1C、0.2C、0.33C、0.5C、0.75C、1C、1.5C、2C、2.5C共9种放电倍率，考察不同放电倍率条件下，样品的放电容量。图1中可以看出，不同样品的放电总体趋势是保持一致，放电容量先随着放电倍率先增加后趋于平稳，这可能是由于随着放电倍率的增加，放电过程中电池内部温度上升，电池活性增加，欧姆下降，放电容量升高，而放电倍率进一步升高，放电过程中的电荷转移极化以及离子扩散极化电阻增加，占据主导地位，导致放电容量略有降低。

进一步地，分析不同放电倍率和放电时间的关系，试验数据绘制成图2的曲线，6组电池样品放电曲线一致性较高，重合度较好，命名放电倍率为C，放电时间为t，利用origin8.5数据处理软件对测试的数据进行处理拟合，模型采用allometric1，拟合方程选择y=a*x^b，拟合结果如表1所示，试验结果与根据方程拟合的曲线基本吻合，只不过每个样品的a、b值略有不同，该方程同样符合经典的Peukert方程[6]。

3.1.2 不同充电倍率充电性能

电池的充电性能不仅和充电的温度环境、充电倍率，而且也和电池的放电状态有关，分别采用0.5C、1C、1.5C、2C四个充电电流倍率，放电电流倍率均为1C，研究电池在室温条件下的充电容量和充电倍率的关系，结果如图4所示，不同样品的倍率充电曲线基本一致，随着充电倍率的增加，充电容量呈现先降低后增加趋势，1.5C充电容量为0.5C倍率充电的84.26%～85.87%。2C倍率充电容量略有升高，为0.5C倍率充电的86.27～89.99%，2C倍率的充电容量相对于1.5C略有增加，这可能归于高倍率充电导致电池内部温度发热较高，欧姆电阻降低，锂离子扩散加快导致界面电阻降低，在实际应用中，整车电池系统在进行快速充电时需解决充电过程中的热管理问题，避免电池因过热而发生热失控。

3.2 循环性能

图5为6组电池样品在室温条件下的循环寿命测试曲线，充电条件为1C恒流恒压至0.05C，放电电流倍率为1C，充放电间隔30min。从图中可知，所有测试电池样品在室温下循环的放电容量衰减与充放电循环次数近似线性关系，1000次循环后容量保持率在79.82%～82.79%。容量线性衰减是比较理想的衰减模型，可以更加准确的预测电池的使用寿命，计算6组样品的标准差系统评价其充放电循环过程中的一致性，标准差计算公式如下：

其中标准差系数：

電池首次循环放电容量标准差系数为0.008，而1000次循环后，标准差系数增加至0.018，增加了约一倍，表明电池之间的放电容量一致性变差，意味着单体电池组成系统后可用容量加剧降低，从而影响整车的续驶里程。

图6是样品在不同循环次数后的交流内阻，显然内阻随着循环次数的增加而增加，相对于初始状态，内阻最高增加约15%。内阻包含欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电荷传递阻抗以及锂离子扩散阻抗。1kHz测试数据主要为欧姆内阻，SEI膜的增厚可导致欧姆内阻升高，致使电池在充放电终止电压不变的条件下，充放电时间缩短，可用容量降低，此外欧姆内阻的升高还会导致电池产热升高，降低电池使用过程中的热安全性能。然而欧姆内阻并非一定是影响循环性能的主要因素，一般来说，正极与电解液界面间的电荷传递以及锂离子在正负极中的扩散阻抗，也是导致循环性能恶化的重要方面[7]。

3.3 不同循环阶段的倍率充放电性能

图7和图8分别表示6组样品在不同循环次数后的2.5C倍率放电和2C倍率充电曲线。相对于倍率放电性能，不同充放电循环后，倍率充电衰退加剧，1000次循环后2C倍率充电容量仅为初始状态的65%，而2.5C倍率放电容量仍能保持在96%以上。

3.4 不同循环阶段的高低温放电性能

图9和图10分别为电池在不同循环后的低温和高温放电容量，从图中可以看出高温放电性能受循环次数影响较小，相对于每第250次循环放电容量，高温性能基本无明显衰减，仍能保持在常温容量的99%以上，而低温性能随着循环次数的增加，总体放电性能恶化，从初始状态的90%～95%衰退到82.5%～87.4%。和循环性能衰减机理类似，影响电池低温放电性能因素主要有电解液粘度增加，电解液/活性材料之间的界面膜阻抗和电荷转移阻抗增大，以及锂离子在活性物质本体中的迁移速率降低，由此造成低温下电极极化加剧。随着循环次数的增加，尤其是放电末期锂离子扩散速率降低，界面极化电阻急剧升高，导致放电容量下降。

4 总结

通过对一款市售的车用三元锂离子电池循环前后以及循环过程中的电性能实验研究，对不同充放电倍率的初始放电容量，不同循环阶段的倍率充放电和高低温放电性能予以系统分析。实验结果表明，放电倍率和放电时间符合y=a*x^b双对数lg-lg方程。随着充放电循环次数的增加，电池的放电容量一致性变差，倍率充电和低温放电性能明显下降，而倍率放电和高温放电性能无明显劣化。

参考文献：

[1]刘丹.探究电动汽车用锂电池的现状及其发展趋势[J]. 内燃机与配件，2020，（17）：176-177.

[2]郭向伟，康龙云，张崇超.我国电动汽车产业关键技术现状发展研究[J].电源技术，2018，42（6）：915-917.

[3]傅松威，郑一钊，陈振族.电动汽车锂电池的综合探讨[J]. 南方农机，2018，（22）：70.

[4]王芳，樊彬，刘仕强，张振鼎，黄炘，张文华. 汽车安全与节能学报，磷酸铁锂动力电池常规循环过程中安全特性[J].2014，（2）：180-184.

[5]刘磊，王芳，任山，樊彬，何兴.电源技术，循环对锂离子外部短路安全性的影响[J].2016，（10）：1920-1923.

[6]Thomas B. Reddy. Linden's Handbook of Batteries （4th Edition）[M]. 北京：化学工业出版社，2013.

[7]刘文刚，周波，王晓丹，高俊奎，刘兴江. 18650型锂离子电池的循环容量衰减研究[J]. 电源技术，2020，（3）：306-309.