三元锂电池储能性能与工作环境温度关系.docx

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1、三元锂电池储能性能与工作环境温度关系本文选用三元锂电池进行充/放电测试，得到电池容量，采用脉冲充/放电测试得到电池内阻、功率，分析三元锂电池在不同环境温度下的性能变化。1实验1.1实验对象及设备以三元锂电池为研究对象，测得不同编号电池的基本数据如表1所示。表1三元锂电池各项性能参数编号初始容量(1C)Ah初始内阻mQ初始电压/V12.47623.14.17522.47623.44.181实验测试所用为瑞能充放电设备(输入电压：380V,最大输出电压：5V,温度采集范围：-4010(C),贝尔高低温实验箱(温度设置范围：-40150C,升温速率：24/min,降温速率：0.71.0Cmin)0使

2、用瑞能充放电设备温度采集线监测电池放电过程中的温度变化。1.2实验步骤在不同环境温度下对三元锂电池进行电性能测试，实验流程如图1所示。图1三元锂电池电性能测试流程图1.2.1容量测试放电容量测试：(1)在室温下将电池以IC(2.4A)恒流放电至截止电压2.75V,搁置45min;在室温下以Ie对电池恒流充电至4.2V,然后以4.2V恒压充电至电流为O.12A截止,搁置45min;将高低温实验箱温度调整为55,电池搁置于实验箱8h,使电池内外部温度稳定,分别以02C、0.5C、1C、2C对电池恒流放电至2.75V,搁置45min；调整高低温实验箱温度分别为10、0、-10,重复(2)(3),直到

3、完成不同温度下不同倍率的放电容量测试。充电容量测试：(1)在室温下将电池以1C(2.4A)恒流放电至2.75V,搁置45min；(2)将高低温实验箱温度调整为55,电池搁置于实验箱8h,使电池内外部温度稳定，分别以0.5C、IC、2C、3C对电池恒流恒压充电至电流为0.12A截止,搁置45min；(3)调整高低温实验箱温度分别为10、0、-10,重复(1)(2),直到完成不同温度下不同倍率的充电容量测试。1. 2.2脉冲测试(1)在室温下将电池以IC恒流恒压至电流为0.12A截止，记此时S0C=100%;将高低温实验箱分别调整为55、10、0、-10,将电池搁置于高低温实验箱8h,使电池内外部

4、温度保持一致。电池在设定温度下以3C恒流放电5s,记录放电开始前电压与放电结束前电压的压差AUl,搁置45min;电池以2C恒流充电5s,记录充电开始前电压和充电结束前电压的压差AU2,搁置45min；在室温下以IC对电池放电以调节电池ASOC为10%,搁置60min;(4)重复(2)(3),以完成电池放/充电内阻测试；计算不同SOC下的直流内阻，R=UIo2结果与讨论1.1 放电性能研究2. 1.1环境温度和放电倍率对电池放电容量及产热的影响图2为不同环境温度和不同放电倍率下，电池放电容量与电压、产热的变化曲线，可以看到在相同放电倍率下，放电平台电压随着环境温度的降低而降低，放电容量也随之减

5、小。在相同环境温度下，随着放电倍率的增大，放电平台电压逐渐下降。（八）55C(b)10jCQ/AhQ/Ah(c)0C(I)-100C图2不同环境温度下三元锂电池在不同倍率放电时，电压、电池实时温度与放电容量的变化曲线如图2（八）所示，当环境温度为55。C时，不同倍率下的放电容量变化很小，表明在高温下，放电倍率对电池放电容量的影响较小。当环境温度为I(TC及以下时，放电容量随着放电倍率的增大而减小图2(b)(d)此外，如图2(d)所示，在-10C下以IC和2C放电时，发现电压在放电瞬间骤降，这主要是因为温度较低，电池内部粘度大,内阻变大，电池内部电化学反应缓慢。随着放电的进行，电池内部升温，反应

6、速率加快，电压逐渐回升，随后又降低至截止电压。在测试电池放电容量的同时，使用瑞能充放电设备温度采集线采集电池的表面温度。可以发现在所有温度下，当放电倍率为02C时，电池表面温度基本不变，但当放电倍率增加到2C时，电池表面温度明显增大。说明在大倍率放电时，电池内部反应剧烈，产热严重，可能会导致电池内部损伤，造成安全隐患。止匕外，随着环境温度的降低,相同放电倍率下电池产热也越来越大。为了进一步探究环境温度对三元锂电池放电容量和温升的影响,绘制了放电容量和温升随环境温度变化折线图（图3）o可以看出当环境温度为55时，放电容量是电池额定容量的105.0%,这主要是因为环境温度的升高有利于促进电池内部的

7、电化学反应，锂离子加速运动。2.630T-放电容量2.5-放电温升.25qv7ej唱巨轮0502115030CO/2Z6放电倍率为1C时，放电容量和电池温升随环境温度变化折线图在低温下，电解液的离子导电率下降，电池内部反应减缓，导致放电容量减小，TOC下放电容量仅为额定容量的83.9%O另一方面，当环境温度为55。C时，电池放电过程中温升为3.4,当环境温度为TO。C时，温升显著增大，高达28.4。这主要是因为在低温下，电池内阻大，电池放电时产生较多热量，当环境温度升高时，电池内阻减小，发热量下降，说明低温环境下对三元锂电池的放电性能（容量及温升）影响更大。2. 1.2环境温度对电池放电内阻的

8、影响图4为不同环境温度下，脉冲放电倍率为3C时，两个电池的放电内阻与SOC关系曲线。可以看到两个电池在相同温度下，内阻随SOC变化曲线相似。当环境温度为55和10时，随着SOC的降低，内阻无明显变化。当环境温度为0时，电池内阻随着SOC的降低先降低再升高。当环境温度为TOC时，由于温度较低，电池在SOC为0.6左右时无法继续放电。180IAn-1#55C2#55ClouA1#1O*C2#IOC,1#OC2#0C.140-1#-IOC2#-IO20020406080100SOC7%图4不同环境温度下，电池的放电内阻与SoC的关系曲线同一电池在相同的SOC下，随着环境温度的降低，内阻逐渐升高,在环

9、境温度为T(TC时达到最大，是环境温度为55时内阻的5倍左右。说明在低温下，电池内阻显著增大，主要是因为环境温度过低，电池内部离子传输缓慢，电化学反应变慢，欧姆内阻和极化内阻增大,导致电池直流内阻增大。2.1.3环境温度对电池放电功率的影响图5为不同环境温度下，脉冲放电倍率为3C时，两个电池的放电功率随SOC的变化曲线。可以看到两个电池的变化曲线相似，功率随着SOC的降低而降低，在相同SoC下，功率随着环境温度的降低而降低。这是因为脉冲放电时电流相同，功率P主要受电压U的影响,环境温度降低时，内阻增大，电压随之降低，功率也相应减小。随着温度进一步降低至T0时，放电功率显著下降，并且在放出40%

10、电量之后已经无法大倍率放电(3C),影响电池的正常使用。30-lS55C-2#55*C20406080100SOc/%图5不同环境温度下,电池的放电功率与SoC的关系曲线2.2充电性能研究2.2.1环境温度和充电倍率对电池充电容量的影响图6为电池充电容量在不同环境温度、充电倍率下的变化曲线,可以看到在55和10环境温度下进行低倍率充电时，充电容量曲线较为平滑，充电容量随着充电倍率的增大而减小。在10大倍率充电和低温充电时，发现电压在瞬间有较大回升，出现峰值后缓慢下降,最后持续升高至截止电压。0.480.961.441.922.40O/Ah(bjn-C0.480.961.441.922.4()/

11、Ah(d)-10C图6不同环境温度时，三元锂电池在不同倍率充电时电压与充电容量的变化曲线这主要是因为在低温下，电池内部粘度大，导致内阻变大，恒流充电时端电压增大，继续充电电池内部温度升高，内阻变小，电池端电压随之下降，充电恢复正常。值得注意的是，当温度低于0,对电池大倍率充电的瞬间，电压急剧增大至4.2V,已不能正常充电。2.2.2环境温度对电池充电内阻的影响图7为不同环境温度下，脉冲充电倍率为2C时，两个电池的充电内阻与SOC关系曲线。可以看到不同温度下，电池充电内阻随SOC变化曲线相似，内阻随着SOC的增大先降低，然后小幅度变化。此外在同一SOC下，随着环境温度降低，电池内阻增大。当SOC

12、为01时，充电内阻从55时的45mQ增加到-10时的138mQ,说明在低温环境下，电池内阻明显增大，降低电池的使用性能。8(6(4(20(864(2(1H11H1（）2#55C2#102#02#-101#55C1#IO1#OC1#-1020406080100SoC7%图7不同环境温度下，电池的充电内阻与SoC的关系曲线2.2.3环境温度对电池充电功率的影响图8为不同环境温度，脉冲充电倍率为2C时，两个电池功率与SOC的关系曲线。可以看到当环境温度为TO。C时，对电池脉冲充电瞬间，电压到达4.2V,功率也达到最大值20.16W,无法正常充电。随着环境温度升高，电池正常充电，充电功率随着SOC的增

13、大而增大,脉冲充电性能有所改善。212017201006080SOC/%1#55C1#IoC1#01#-10C2#55C2#10C2#OC2#-I(TC图8不同环境温度下，电池的充电功率与SoC的关系曲线3结论通过本文的研究，可以发现使用温度对三元锂电池性能影响十分显著，具体如下：（1）放电过程中：随着温度降低，电池放电平台电压降低,放电容量出现了一定程度的衰减。温度越低,放电内阻增大，放电功率减小，在低温、低SOC区间内不能大倍率脉冲放电，并且低温放电时电池温升显著，易造成安全隐患。充电过程中：随着温度降低，电池充电平台电压升高，充电容量减少。温度越低，充电内阻和充电功率越大，影响电池的充电效率。综上，环境温度在-1055C范围内，在高温（55。C）下三元锂电池性能稳定，但低温下电池充/放电性能都出现一定程度的衰减。电池应避免在低温环境下使用，当在低温使用时，可以对电池进行预热，以改善电池的充电效率和续航能力。文献参考：张阳琳,别传玉,高标,张宇平.三元锂电池储能性能与工作环境温度关系研究J.电源技术,2022,46(12):1402-1406