电池的放电特性,受到环境温度的影响会导致什么?
温度因素影响
电池的放电特性,受到环境温度的影响极为明显。如果车辆的目标销售地区最低温度在0℃以下,在某些含水电解液的电池中,电解液本身可能会冻结;即使有机电解液不会冻结,电池性能下降也非常明显,就需要考虑低温对电池的影响问题。如果是在环境温度极高的环境使用动力电池,电极活性材料在高温下容易与电解液发生反应,可能带来容量上的损失,还可能造成安全风险。
在电池能够承受的温度范围内,电池性能通常随温度的提高而提高,比如容量增大,内阻减小。每种电芯都有一个最适宜的工作温度,最理想情况是给电池创造出这个适宜的工作温度,偏高或者偏低的温度都会影响循环寿命,是已经被很多实验证明了的。从图中可以看到,不同温度下的放电曲线会发生整体偏移,趋势基本平行或者斜率略微发生变化。
环境温度超出电池合理工作温度范围时,采取相应的热管理或者预热设计,或者选择低温性能好的电芯,比如钛酸锂。而系统参数限值的设置,比如加热启动温度等,也是需要首先参考电池的性能来确定的。
2 放电倍率
动力系统中,对电池放电性能的需求,取决于系统中的负载。不同的系统,对放电倍率的需求不同。纯电动汽车,全部里程都需要电池提供能量,因此放电时间必然比较长,而放电倍率比较低,往往低于1C,适合选用能量型电芯。而像混合动力电动汽车,电池包规模较小,不太可能设计较大的并联数量,电池包容量较小,在需要时要求比较大的倍率放电,这时需要倾向于选择高比功率电芯。
放电倍率对容量的影响
放电倍率大小不同,在选择电池容量时,必须考虑放电倍率对电芯容量的影响,否则,在实际运行中将出现严重偏差。
低功耗消费类电子产品电池通常规定以低于1C倍率放电,而SAE使用20小时(0.05C)的放电量作为测量汽车电池Ah容量的标准条件。下图展示了在相同温度下,不同放电倍率下放出电量的对比关系。锂电池以外的其他类型的电芯,同样有类似现象,比如铅酸电池,倾向比锂电池更明显。电池每次充电 - 放电循环以及它所带来的活性化学物质的相关转化循环伴随着电芯中的化学物质的缓慢劣化,使用者对这个过程几乎是无感的。这种恶化可能是电芯或晶体中不可避免的化学副反应或者锂枝晶生长,改变了构成电极颗粒的状态。这两个因素都可能会降低电池中活性化学物的量,从而降低电池容量,或增加电池的内部阻抗。
电池在规定的循环寿命结束时不会突然死亡,它会继续正常工作,并继续缓慢恶化,其容量将比新电池的容量显着减少。
随着单体体积的增大,电池内部发热部分距离壳体的距离越来越长,传导的介质、界面越来越多,使得散热变得困难,并且在单体上,热量分布不均的问题越来越明显。
吴伟雄等人进行了一项研究,实验采用3.2 V/12 Ah 的方形锂离子电池,其基数如表1 所示。电池充放电设备为新威CT-3001W-50V120ANTF,测试过程中环境温度为31 ℃,散热方式为空气冷却,用温度巡检仪记录电池的温度变化。实验步骤:
1) 压充电,用12A 电流给电池充电至充电截止电压3.65V止电流1.8A;
2) 搁置,充电后搁置1 小时以使电池稳定;
3) 恒流放电,以不同的倍率放电至放电截止电压2 V。其中,放电倍率分别按为1C、2C、3C、4C、5C、6C 设定。
如下图所示,为不同放电倍率下电池表面的温度变化,可以看到,随着倍率增加,温度也越来越高,各放电倍率对应的电池表面最高温度分别为38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9 ℃。3C 倍率放电时,最高温度已超过50 ℃。6C 时温度达到了76.9 ℃且超过50 ℃的时间为470 s,占到了整个放电过程的三分之二,这对于电池安全持续工作非常不利。