高功率锂离子电池放电倍率对容量影响的研究.pdf
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1、2023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发高功率锂离子电池放电倍率对容量影响的研究杨斌2樊立萍口高迎慧2.3,4陈洪涛程士阔口严萍2.3.41.沈阳化工大学信息工程学院沈阳1101422.中国科学院电工研究所斤北京1001903.中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室北京1001904.齐鲁中科电工先进电磁驱动技术研究院济南250013摘要:锂离子电池比能量高,循环寿命长,具有高稳定性,已应用于各个领域。研究高功率锂离子电池放电倍率对容量的影响,对不同放电倍率的高功率锂离子电池进行容量测试,明确高功率锂离子电池的容量衰减问题,得到不同倍率下循环使用后高功率锂离子电池的容量和电压曲线。采用
2、混合功率脉冲特性方法对高功率锂离子电池内阻进行测试和计算,分析结果表明,高功率锂离子电池在高荷电状态下内阻伴随放电率的提高而减小,在较低荷电状态下内阻则呈现出一定的复杂趋势。通过研究,可以促进高功率锂离子电池的应用。关键词:锂离子电池放电倍率容量影响研究中图分类号:TM911文献标志码:A文章编号:1 0 0 0-49 9 8(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-0 5Abstract:The lithium-ion battery has high specific energy,long cycle life,high stability,and has beenused in var
3、ious fields.The influence of discharge rate of high-power lithium-ion battery on capacity wasstudied,and the capacity test of high-power lithium-ion battery with different discharge rate was carriedout,the capacity attenuation problem of high-power lithium-ion battery was clarified,and the capacity
4、andvoltage curves of high-power lithium-ion battery after recycling at different rate were obtained.The internalresistance of high-power lithium-ion battery was tested and calculated by the hybrid power pulse characteristicmethod,and the analysis result shows that the internal resistance of high-pow
5、er lithium-ion battery decreaseswith the increase of discharge rate in the high charge state,and the internal resistance in the lower charge stateshows a certain complex trend.Through research,the application of high-power lithium-ion battery can bepromoted.Keywords:Lithium-ion BatteryDischargeRateC
6、apacityInfluenceStudy1研究背景在能源危机和发展低碳经济的时代背景下,清洁能源的开发是一种极大的趋势。近年来,航空、弹射系统等领域对于高功率化学电源表现出迫切的需求,锂离子电池是一种较好的清洁能源 。锂离子电池具有电压高、比能量高、循环寿命长等突出优点,伴随着电池材料的优化及技术的快速发展,高功率型锂离子电池的各项性能不断提高,被认为是航空、弹射系统和电动汽车等装备的理想电源之一 2-3。O笔者针对高功率锂离子电池进行研究。电池在使用过程中会出现容量衰减的状况,即寿命问题,由此研究电池在不同倍率下使用及不断循环使用过程中放电倍率对容量的影响具有十分重要的意义 4-5。锂离子
7、电池寿命的影响因素主要包括:外部影响因素,例如温度、充放电倍率、电池内阻等;内部影响因素,例如电池内部老化使锂离子电池性能降低及电池剩余容量衰减等 6 电池内阻和电池循环寿命有相当紧密的联系。电池在使用过程中内阻增大,电池内部的电流阻碍作用*中国北马其顿双边政府间人员交流项目(国科外【2 0 1 9 2 2 号);辽宁省校际合作重点研发项目(辽教发【2 0 2 0 2 8 号)22023,61(8)总第7 0 8 期机械制造发也会相应增大,使消耗功率更大,进而导致电池的寿命产生衰减 7。黄玉清等 8 指出,对比初始容量完全相同的两块电池,由于不同电池的内阻存在一定的差异,会导致电池的容量衰减出
8、现一定程度的不同。2试验内容笔者对市场销售的1 5Ah钛酸锂(LizTi,O12)电池进行研究,该型号锂离子电池的单体外形如图1 所示,基本参数见表1。对锂离子电池进行不同放电倍率下的性能测试,记录电压和容量的变化情况,对试验数据进行分析、处理。图1锂离子电池单体外形表1锂离子电池基本参数项目内容额定容量/Ah15标称电压/V2.3最大电压/V2.8截止电压/V1.5工作温度/-3055正极材料镍、钻、锰负极材料钛酸锂质量/400试验过程中,采用充放电设备对锂离子电池进行测试,具体参数为设备电压范围0 5V、电流范围单通道-1 2 0 0 1 2 0 0 A。电压相对精度为0.0 2%,电流相
9、对精度为0.0 5%,数据采集响应时间为1 0 ms。3试验步骤试验设备为三个通道的电池测试装置,可以完成大电流下电池的充放电测试,试验过程在温箱中进行,为了避免外界风力对电池温度的影响,对电池表面使用保温棉进行包裹不同温度下电池放电分析测试步骤如下:设定温箱的温度,充放电过程满足试验分析需求,按照设定的放电电流进行测试,测试完毕后采取恒流恒压方式对电池进行充电不同放电电流下电池容量分析测试步骤如下:恒流恒压充电,以1 5A恒流充电至截止电压,然后转至恒压充电,直至电流降至0.7 5A;静置1 h;以设定的放电电流进行放电,直至截止电压或者达到预定的放电时间,放电步骤停止;静置1 h。高倍率连
10、续多次放电电池容量分析测试步骤如下:设定外界环境为2 5,充电过程使用恒流恒压方式,按照设定的7 50 A、9 0 0 A、1 0 50 A 对电池进行循环周期为8 0 次的放电测试。电池内阻测试与分析步骤如下:电池以1 5A电流充至满电状态;静置6 0 min;按照设定倍率进行1 0 s放电;静置40 s;电池以1 5A电流放电至下一个1 0%荷电状态;静置6 0 min;重复步骤4试验结果4.1不同温度下电池放电分析为了分析温度对电池在普通放电倍率下容量的影响,采用放电电流为1 5A,放电截止电压为1.5V,进行不同温度下电池容量测试,电池容量变化曲线如图2所示。2.82.62.42.22
11、.015-251.85-35-5-451.6012345678910111213141516容量/Ah图2不同温度下电池容量变化曲线由图2 可见,电池具有相同的电压差,伴随着外界环境温度的不断提升,电池在1 5A放电电流下容量呈现出整体的上升趋势 9。在-5环境温度下,电池容量为1 1.7 5Ah。在2 5环境温度下,电池容量为14.898Ah。在45环境温度下,电池容量为1 5.8 2 6Ah。通过数据分析,电池在正常环境温度2 5下使用时,电池的容量相比环境温度-5和试验最高温度45下的容量分别提高2 6.7 9%、降低5.8 6%,证明外界环境改变对于电池在普通放电倍率下的影响非常大。4
12、.2不同放电电流下电池容量分析对电池在不同放电电流下的容量进行分析,验证电池从满电状态下电压下降至某一相同数值时,电池2023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发容量伴随放电电流的增大呈现出急速减小趋势 1 0,容量变化曲线如图3所示。2.8厂900A15A2.61050A150A2.4300A450A600A入/王审2.2750A2.01.81.60246810121416容量/Ah八图3不同放电电流下电池容量变化曲线由图3可见,在整体的放电过程中,电池在放电电流为1 5A时,容量为1 4.8 9 8 Ah。当放电电流达到750A、9 0 0 A、1 0 50 A 时,电池容量出现极
13、大衰减,对应的容量依次为1 1.30 3Ah、5.0 1 5A h、2.6 54A h。相比于放电电流1 5A,在上述三种放电电流下进行放电,电池容量依次降低2 4.1 3%、6 6.34%、8 2.1 9%。4.3高倍率连续多次放电电池容量分析为了研究高倍率连续多次放电对电池容量的影响,对电池在7 50 A、9 0 0 A、1 0 50 A 三种不同放电电流下进行连续多次的高倍率放电测试,最大循环次数为80次,对于电池的容量衰减进行观察,得到三种不同放电电流的连续多次放电电池容量变化曲线,分别如图4 图6 所示。2.210次2.120次30次40次2.050次60次1.970次80次1.81
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