1、第 53 卷 第 3 期2023 年 6 月电池BATTERY BIMONTHLYVol.53,No.3Jun.,2023作者简介:刘 頔(1981-),男,吉林人,中国汽车技术研究中心有限公司高级工程师,研究方向:新能源汽车政策;张国华(1989-),男,山西人,中国汽车技术研究中心有限公司工程师,硕士,研究方向:新能源汽车政策及共性技术;马仕昌(1997-),男,河北人,北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心博士生,研究方向:锂离子动力电池建模及优化充电技术,通信作者;杨自敏(1998-),男,安徽人,北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心硕士生,研究方向:锂离子电池容量估计;王占
2、国(1970-),男,吉林人,北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心副教授,高级工程师,研究方向:动力电池应用技术。基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFE0104700)DOI:10.19535/j.1001-1579.2023.03.007纯电动汽车用锂离子电池的低温性能刘 頔1,2,张国华1,2,马仕昌3,杨自敏3,王占国3(1.北京卡达克科技中心有限公司,北京 100071;2.中国汽车技术研究中心有限公司,北京 100071;3.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京 100044)摘要:锂离子电池低温特性的研究多限于单体电池,且测试工况单一。分别以纯电动汽车用锂
3、离子电池单体和系统为研究对象,设计以 1/3 C 放电至截止电压的恒流一次放电工况,以及以 1/3 C 恒流放电 0.5 h,静置 10.0 h,循环至截止电压的多天多次放电工况,并在 0、-10 和-20 下进行放电测试。在多天多次放电工况下,电池单体和系统的放电容量分别为 139.14 Ah、138.47 Ah,放电能量分别为 505.98 W h、44 443.40 W h,均低于恒流一次放电工况下的相应数据;同一工况下,电池系统的低温放电容量低于单体电池。采用数据拟合方式,构建电池系统、单体低温放电能量与温度的关系公式。关键词:纯电动汽车;锂离子电池;低温性能;恒流放电;容量可用率;能
4、量可用率中图分类号:TM912.9 文献标志码:A 文章编号:1001-1579(2023)03-0267-04Low-temperature performance of Li-ion battery for pure electric vehicleLIU Di1,2,ZHANG Guo-hua1,2,MA Shi-chang3,YANG Zi-min3,WANG Zhan-guo3(1.Beijing CATARC Science and Technology Center Co.,Ltd.,Beijing 100071,China;2.China Automotive Technolo
5、gy and Research Center Co.,Ltd.,Beijing 100071,China;3.National Active Distribution Network Technology Research Center,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:The research on the low-temperature characteristics of Li-ion battery was limited to the cell,the test conditions were sing
6、le.Taking the Li-ion battery system and cell for pure electric vehicles as the research object respectively,the galvanostatic once discharge conditions(discharge to cut-off voltage at 1/3 C)and the multi-day multi-times discharge conditions(1/3 C galvanostatic discharge for 0.5 h,resting for 10.0 h,
7、cycling until the cut-off voltage was reached)were designed.The discharge tests were carried out at 0,-10 and-20.The discharge capacity of Li-ion battery cells and systems under multi-day multi-times discharge conditions were 139.14 Ah and 138.47 Ah,the discharge energy was 505.98 W h and 44 443.40
8、Wh,respectively,which were both lower than the corresponding data under galvanostatic once discharge conditions.Under the same conditions,the low-temperature discharge capacity of the battery system was lower than that of the battery cell.The relationship equations between the low-temperature discha
9、rge energy and temperature of the battery system and the single cell were constructed using data fitting.Key words:pure electric vehicle;Li-ion battery;low temperature performance;galvanostatic discharge;capacity availa-bility rate;energy availability rate电池BATTERY BIMONTHLY第 53 卷 锂离子电池的性能与环境温度密切相关1
10、,研究低温放电性能,将有助于电动汽车在寒冷地区的推广应用。Z.Lu等2研究锂离子电池充放电性能的温度依赖性,发现当温度低于 20 时,充放电性能急剧下降。张蕾等3研究温度对动力型锂离子电池容量、能量和电压平台的影响,发现低温会使放电容量、能量和电压平台迅速降低,且室温放电容量、能量与电流的大小成反比,低温下则相反。王珍珍等4从材料的角度,研究-40 时 18650 型锂离子电池的放电性能,发现正极材料对低温放电性能有主要影响。目前的研究绝大多数都以单体电池为对象,且测试工况较单一。考虑以上问题,本文作者从锂离子电池在纯电动汽车(PEV)应用中的实际场景出发,选择锂离子电池单体和系统为研究对象,
11、除恒流放电测试工况外,设计多天多次放电测试工况,在 0、-10 和-20 等 3 种低温条件下,对锂离子单体电池和系统的低温放电性能进行全面研究。1 实验1.1 对象低温测试对象为某 PEV(江苏产)用电池系统,采用镍钴锰/石墨材料体系,由 16 个 3 并 5 串的电池模组和 2 个 3并 4 串的电池模组串联而成,共 264 只单体电池,系统容量150 Ah,工作电压 246.4369.6 V,额定电压 316.8 V。测试单体是指该电池系统中的最小能量单元,由 3 只电芯并联而成,容量为 150 Ah,工作电压 2.84.2 V,额定电压 3.6 V。1.2 平台使用的主要实验设备包括电
12、池测试系统、高低温试验箱和步入式温度试验箱等,实验设备具体参数见表 1。表 1 实验设备参数信息表Table 1 Experimental equipment parameter information table设备名称型号精度产地电池测试系统BT-20000.05%美国电池测试系统BT-MP0.05%美国高低温试验箱GL601F1 重庆步入式温度试验箱MTW-14HKM1 苏州为测试单体电池和电池系统,分别搭建了单体和系统测试平台。单体测试平台由 BT-2000 型单体电池测试系统和GL601F 型高低温试验箱构成;系统测试平台由 BT-MP 型电池测试系统和 MTW-14HKM 型步入式
13、温度试验箱构成。1.3 测试方法为获取锂离子电池在车载使用时的真实放电性能,设计了恒流放电(CCD)测试工况和多天多次放电(MMD)测试工况,测试流程如图 1 所示。这两种测试工况分别对锂离子电池一次长续航和多次短续航使用场景进行模拟。测试单体和电池系统的低温放电性能时,环境温度分别设置为 0、-10 和-20。需要说明的是,电池系统采用的充电规程为恒流多阶段降电流充电方法,即:以 1/3 C 恒流充电至任一单体达到 4.2 V;再以 1/5 C 充电至 4.2 V;之后,以 1/10 C 充电至 4.2 V;最后,以 1/20 C 充电至截止电压 4.2 V,结束充电。图 1 CCD 和 M
14、MD 的测试流程Fig.1Test procedures of galvanostatic discharge(CCD)and multi-day multi-times discharge(MMD)2 结果与讨论2.1 CCD 测试结果与分析电池的 CCD 测试工况,对应电动汽车一次性长时间行驶的工况条件。根据测试要求,低温 CCD 工况分别在 0、-10 和-20 等温度下进行。除上述温度外,为对比电池性能变化,在常温(25)下进行 CCD 工况测试。2.1.1 单体测试结果与分析测试结果表明:在 25 下,单体电池 CCD 测试工况的放电容量为 153.53 Ah,为额定容量的 102.
15、35%,放出的电能为 565.00 W h。后续的低温放电定量分析以此数据为基准。不同测试温度下,单体电池的放电容量和放电能量曲线见图 2。图 2 单体电池的 CCD 测试结果Fig.2 CCD test results of the cell从图 2 可知,随着温度的降低,单体电池的放电容量和放电能量均有不同程度的减少。862第 3 期刘 頔,等:纯电动汽车用锂离子电池的低温性能为探究锂离子电池低温放电对后续常温充电性能的影响,进行低温放电后恢复常温的充电测试,记录充电容量和充电能量。为量化分析单体电池的低温放电性能,将单体电池低温 CCD 工况测试数据列于表 2,其中:Qdis为放电容量;
16、Edis为放电能量;Qch为充电容量;Ech为充电能量。表 2 单体电池的 CCD 测试数据Table 2 CCD test data of the cell温度/Qdis/AhEdis/W hQch/AhEch/W h0140.95512.71141.22536.65-10133.34478.89133.52509.59-20123.21431.96123.37473.19为了说明锂离子电池低温放电性能以及恢复常温后的充电性能,定义低温放电容量可用率 HQ、能量可用率 HE、容量回升率 SQ和能量回升率 SE,分别如式(1)-(4)所示。HQ=QdisQ25-d100%(1)HE=EdisE25-d100%(2)SQ=Q25Qdis100%(3)SE=E25Edis100%(4)式(1)-(4)中:Q25-d为 25 放电容量;E25-d为 25 放电能量;Q25为 25 充电容量;E25为 25 充电能量。不同温度下单体电池容量(能量)可用率、回升率见表 3。表 3 单体电池容量(能量)可用率和回升率计算结果Table 3Capacity(energy)availability r
