温度对锂离子电池功率性能的影响

文/凭栏眺

锂离子电池凭借着优异的能量密度、循环寿命和功率性能，在化学储能领域取得了极大的成功，特别是近年来随着新能源汽车的快速发展，锂离子电池在动力电池领域得到了广泛的应用。我国地域范围极广，各地的气候也千差万别，有极寒的东北，也有高温的海南，如此大的温度变化，会对锂离子电池的电性能产生显著的影响。

近日，韩国大邱市科技学院的Sun Ho Park（第一作者）和Myung-Hyun Ryou , Yong Min Lee（通讯作者）等人分析了环境温度变化对于锂离子电池功率性能的影响，研究表明温度对于锂离子电池放电容量的影响较小，但是对于锂离子电池功率性能却会产生很大的影响。

锂离子电池最大放电功率受到多种因素的影响，例如时间和截止电压，通常我们规定在一定的时长内，电池放电过程电压不降低到特定截止电压所对应的最大功率为电池的最大放电功率，也就是说同样规定截止电压为2.5V，如果时长为10s所对应的最大功率就要比1s时长要小的多。此外，电池的SoC和环境温度也会对电池的倍率性能产生显著的影响，本文中作者就针对环境温度对电池功率性能的影响进行了研究。

实验中作者采用的为两种电池：一种是2A的18650电池，另外一种为20Ah的软包电池，电池的基本信息如下表所示。

作者通过脉冲放电的方式测量了电池在15、25和35℃下，以及不同SoC下的阻抗和功率性能，脉冲放电方法如下图所示，这种方法能够简单快速的获得电池的最大充电和放电功率。这种方法简单的说就是首先采用5C的倍率放电10s，然后静置40s，然后采用3.75C的倍率对电池充电10s。电池的功率性能计算可以通过下属的步骤进行计算

1）首先测量电池在充电或放电过程中，电池最低或最高电压与开路电压之间的差值；

2）然后将上述的电压差值除以充电或放电电流，获得电池的直流内阻，如下图1和2所示；

3）然后根据下式3和4计算电池在不同SoC下的最大功率，其中Vmin和Vmax分别表示电池的最高或最低截止电压。

根据上面的方法我们可以计算不同的SoC和不同温度下电池的最大充放电功率（如下图所示），同时随着电池的循环过程的老化，电池的功率性能也会衰降（如下图曲线所示）。

下图为18650电池在15、25和35℃下的充放电曲线，电压范围为2.5-4.2V，从图中能够看到该电池的容量没有受到温度很大的影响，经过计算温度对充电容量的影响为0.47%/℃，对于放电的容量影响为0.44%/℃，

下图为20Ah的LFP软包电池在不同温度下的充放电容量，从图中能够看到电池充放电容量受到温度的影响也较小，温度对充电容量的影响为0.33%/℃，对放电容量的影响为0.33%/℃。

整体上来看，无论是三元体系的18650电池，还是LFP体系的软包电池，温度变化对于其容量的影响都比较小，但是温度对于电池功率性能的影响则较为明显，相关的研究表明电池的温度每变化1℃，对于电池功率性能的影响在3%左右。

下图为作者测量的在不同温度和不同SoC状态下电池的最大功率性能曲线，从图中能够看到无论是圆柱形的18650电池，还是软包电池的功率性能都受到温度很大的影响。

为了定量的分析温度对于电池功率性能的影响，作者采用下式9所示的公式计算了温度对电池功率性能的影响，结算结果如下表所示。从表中可以看到对于圆柱形电池而言，充电的过程中温度对于功率性能的影响为2.29%/℃，对放电功率的影响为2.37%/℃，对于软包电池而言，温度对充电功率的影响为3.34%/℃，对于放电功率的影响为3.51%/℃，这要远远高于温度对于电池充放电容量的影响。

同时我们从下表中能够注意到，对于NCM体系的圆柱形电池而言，电池在较低的SoC范围内电池功率性能更容易受到温度的影响，例如在10%和20%SoC时电池放电功率受温度的影响值分别为4.97%/℃和3.61%℃，而在较高的SoC的范围内电池功率性能受温度的影响则比较小。而LFP的软包电池功率性能对于温度的敏感程度则几乎不受SoC状态的影响。

Sun Ho Park的研究工作表明，对于锂离子电池而言，电池的充放电容量受到环境温度的影响较小，约为0.32-0.47%/℃，但是环境温度对于电池的功率性能却会产生显著的影响，2.3-3.5%/℃。

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Sensitivity ofpower of lithium-ion batteries to temperature: A case study using cylindrical-and pouch-type cells,Journal of Power Sources 465 (2020) 228238,SunHo Park , Joonam Park , Myung-Hyun Ryou , Yong Min Lee

文章由易车号作者提供