露天静止停放对汽车动力锂离子电池的性能影响研究

国产汽车 汽车保养 2024-05-19 1004

作者有话说

近日,中国电研张晓东团队以《露天静止停放对汽车动力锂离子电池的性能影响研究》为题在《环境技术》2023年第12期上发表最新研究内容,第一作者为张晓东。

本文利用整车自然曝露试验,考察了长时间露天停放对新能源汽车动力电池包电池容量的影响,并对电池包进行拆解,随机取样2只电芯进行电化学阻抗谱分析电芯一致性变化情况。整车自然曝露试验过程中,每3个月对动力电池系统进行一次标准化的室温容量测试。充放电过程中不同荷电状态(SOC)或不同温度条件下电芯阻抗谱特性来比较不同电池的老化程度。



引 言

一般家庭乘用车主要用于上、下班通勤,其生命周期内大部分时间处于静止停放状态,并且有相当一部分属于露天静止停放(图1)。利用整车典型环境自然曝露试验模拟和强化露天静止停放状态对于汽车内外饰件的老化腐蚀影响和电子电器功能性影响的相关研究已经比较充分,但较少有涉及对新能源汽车动力电池性能的影响。与当前主要研究动力电池工况服役寿命不同,本文初步研究了新能源汽车典型湿热自然曝露试验过程中动力电池系统容量和电池单体一致性等性能变化情况,探讨静止停放状态对电池服役寿命的影响,为进一步开展新能源汽车动力电池全寿命研究提供基础。

锂离子电池已广泛应用于新能源汽车动力系统。通常来说,电芯的初始特性存在一定程度差异,且日常使用中大气高温暴露及充放电循环条件,将使得电芯单体温度场、实际电流倍率和放电深度存在差异,由此形成正反馈效应,进一步扩大电芯间的容量和内阻等特性不一致性。在电池不一致性评价指标方面,有学者建立了基于电池荷电状态的电池组离散度模型,还有文献基于静态端电压与电池荷电状态间的分段线性关系,建立了基于静态端电压的电池一致性评价模型。

图1 露天停放的乘用车


1 试验与测试

1.1 新能源汽车整车自然曝露试验

参考标准QC/T 728-2005《汽车整车大气暴露试验方法》的相关规定在海南琼海湿热大气环境试验站开展新能源汽车整车湿热环境自然曝露试验,试验周期1年,试验过程中动力电池包保持60~80%的荷电状态。电池包箱壳下表面温度和湿度传感器,用以连续实时微环境条件并按5min/次的频率进行数据记录。

1.2 动力电池系统容量测试

首先,依据标准GB/T 31467.2-2015 《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统 第2部分:高能量应用测试规程》进行环境适应,使得单体电池温度与目标环境温度差值不超过2℃;然后,依据6.2条款的规定进行一个完整的标准循环,也即使用1C放电到规定的截止条件、静置30 min,随后使用1C充电到规定的充电截止条件、静置30 min;最后,依据条款7.1.2继续进行1C放电,并通过积分计算获得1C倍率下的电池系统容量参数。试验期间,每3个月对开展整车自然曝露试验的新能源汽车动力电池系统室温容量测试1次。

1.3 电池单体电化学阻抗测试

电化学阻抗谱(EIS)测试:使用普林斯顿电化学工作站,并配备20A电流放大器,可测试1μHz至1MHz范围内的电芯阻抗。由于电池单体属低阻抗体系,其在低频区稳定性较好而在高频区的阻抗很难捕捉,因此测试过程选择恒电流模式,频率范围为1.5kHz至0.1Hz,扰动电流振幅为10A,以保证获取稳定的测试结果,同时具有良好的信噪比和可重复性。

常温下的电芯EIS测试在生化培养箱中进行,温度稳定控制在25℃±3℃。不同温度下的电芯EIS测试在调温调湿箱中进行,温度可在-35℃~45℃间稳定变化。测试设备连接方式示意图如图2所示。

图2 电化学阻抗谱试验设备连接示意图

1.4 主要仪器设备

电化学综合测试仪,普林斯顿电化学工作站,型号PARSTAT 4000 VMP3;电芯充放电设备,MACCOR 电池测试系统,型号SERIES 4000H 10V200A;调温调湿箱,型号SETH-Z-022L,温度调节范围-35℃~45℃;生化培养箱,型号LRH-150F。


2 结果与讨论

2.1 动力电池容量变化分析

图3是新能源汽车整车自然曝露试验过程中动力电池系统随试验时间的衰减曲线。可以看出,在静态自然曝露试验中,该试验车动力电池系统容量衰减比较明显,一年后的电池容量衰减至92.21%。这主要因为新能源汽车整车在自然曝露试验过程中,安装在汽车底部的动力电池箱体受地面热辐射和周围空气湿度的影响,相当于将电池包放置于温湿度试验箱中经受长期的温湿度循环试验而出现容量衰减现象。图4显示了夏季某天内电池包箱壳下表面温度和空气相对湿度的变化,可以看出,环境温度在一天中的变化是呈现先递减再递增最后递减的趋势。试验期间,每天的最高环境温度基本出现在中午时分,接近与太阳辐射强度最高值出现的时间。电池包表面温度和湿度呈现相当长时间内,电池包周围空气相对湿度高于80%,电池包内外部会产生凝露现象而致使电池系统金属接插件产生腐蚀,也会影响动力电池系统容量的输出。

图3 新能源汽车动力电池系统容量衰减曲线

图4 新能源汽车动力电池箱壳表面温度变化

2.2 试验后电池单体一致性分析

对结束自然曝露试验的新能源汽车动力电池系统进行拆解,对拆解后的电池单体随机选择其中的2块,对比在慢充、放电、快充过程中的EIS曲线,利用阻抗模值曲线、相位角曲线的重合度,判断电芯的一致性。之所以选择EIS技术,是因为该技术具有以下优点:

1)电化学阻抗的测试满足近似线性条件,所得数据满足线性理论,便于分析处理;

2)电化学阻抗谱技术在测试过程中对电芯不产生破坏作用,属于无损测试方法。由于以上优点,使得该技术特别适合于电极过程动力学和电芯循环劣化机理方面的研究。

图5是2块电池单体在慢充(0.5C)过程中,SOC为0%、20%、50%以及80%的平行样品EIS测试结果。从图中可以看出,两块电池单体在0.5C慢充过程中阻抗模值曲线、相位角曲线无法完全重合,测试结果一致性不佳,反映电池单体容量存在一致性差异,从而影响动力电池的服役寿命。

图 5 不同电芯慢充(0.5C)平行样EIS测试结果

进一步对比分析2块电池单体在放电以及快充过程中的EIS曲线,如图6、图7所示。结果与电芯慢充过程的一致性结果类似,进一步证实了电池单体容量存在一致性差异,同时也说明了电池单体在稳定状态下,利用EIS研究电芯一致性不受SOC调节过程中的充放电倍率影响。

图6 不同电池单体放电(1.0C)平行样EIS测试结果

图7 不同电池单体快充(1.0C)平行样EIS测试结果

图8是20%SOC状态下两块电池单体在-35℃、0℃、25℃、45℃环境条件下的阻抗模值曲线、相位角曲线,同样证实电池单体的一致性较差。

图8 不同电池单体20%SOC时平行样不同温度下的EIS测试结果

由此可见,电芯SOC调整方式(慢充、放电、快充)和环境条件(不同温度)对电芯阻抗测试无明显影响,试验适应性好。


3 结 论

通过上述分析,可以得到以下结论:

1)新能源汽车长时间露天静止停放时,动力电池系统容量会产生衰减,从而影响服役寿命;

2)对试验后拆解出的电池单体进行电化学阻抗谱测试,发现所试电池单体之间的一致性较差,结合动力电池容量衰减数据,可以推测整车自然曝露试验会对电池单体的一致性产生较大影响。

由于太阳辐射、湿度、温度和污染物等因素的不同,不同地区的整车自然曝露中部件耐久性可能会有很大的不同。建议开展不同气候的不同地点曝露试验,以代表更为广泛的预期使用条件。


作者:张晓东1,2,王科孟2,曾文波3,赵雪茹1,文云雄2,高泽海2

单位:1.中国电器科学研究院股份有限公司,工业产品环境适应性国家重点实验室;2.广州电器科学研究院有限公司海南热带环境分公司;3广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院

简介:张晓东,高级工程师,主要研究方向为汽车整车、零部件及材料老化。

引用本文:张晓东,王科孟,曾文波,等.露天静止停放对汽车动力锂离子电池的性能影响研究[J].环境技术,2023,41(12):12-17.

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