高功率锂离子电池放电倍率对容量影响的研究.pdf

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 various 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 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-power 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 BatteryDischargeRateCapacityInfluenceStudy1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。2.82.62.42.22.015-251.85-35-5-451.6012345678910111213141516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。4.2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1.81.71.61.510123456789101112容量/Ah图4750A连续多次放电电池容量变化曲线由图4 图6 可知，在放电电流为7 50 A、9 0 0 A、1050A时，当电池具有相同的电压差，达到同一截止电压，同一放电电流下电池的容量基本相同。不同放电电流下容量最大差值分别为1.1 Ah、1.2 A h、0.1 5Ah，这是由于接线造成的误差。以上数据分析可以说2.11次10次2.020次30次40次1.950次60次1.8-70次80次1.71.61.501245678910容量/Ah图5900A连续多次放电电池容量变化曲线2.1次10次2.02830浴40次1.950浴60浴出1.870瓷801.71.61.500.51.0 1.5 2.0 2.53.03.54.04.5容量/Ah图61050A连续多次放电电池容量变化曲线明两点问题。第一，电池的循环性能良好，少次数的放电周期对电池容量衰减无过多影响。第二，在8 0 次循环周期范围内，大电流对电池的容量造成了影响。4.4电池内阻测试和分析根据混合功率脉冲特性内阻测试，对电池在不同倍率下的内阻进行计算。文献1 1 1 2 已经证明了混合功率脉冲特性内阻测定方法在高倍率放电状态下的测试准确度，笔者通过这一方法对内阻进行测定。通过计算可以得到各个荷电状态下的欧姆内阻和直流内阻变化，直流内阻R，、欧姆内阻R的具体计算如下：R,=(V。-V.)/I(1)Rm=(V。-V 2)/I(2)式中：V。为静置末电压；V为放电状态结束电压；V,为放电起始时刻电压；I为放电电流。通过试验测试数据，应用式（1）、式（2）对不同荷电状态下的内阻进行计算，得到不同倍率下电池欧姆内阻、直流内阻变化曲线，分别如图7、图8 所示。由图7 和图8 可见电池在不同荷电状态下欧姆内阻和直流内阻的变化情况，较高的放电倍率对应较低的初始放电电阻。电池在高荷电状态下，内阻会伴随放电电流的增大发生变化，整体趋势为减小。由于受2023,61(8)总第7 0 8 期机械制造研究发0.0010rAAAAAAAAAAAAA0.000.90.000 8L0.000 7823900A0.00060.00050.000 400.20.40.60.81.0荷电状态人图7电池欧姆内阻变化曲线0.005AAAAAAAAAAA0.004C0.003650.002900AX一0.00100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0荷电状态图8电池直流内阻变化曲线到电池内部温度的极大影响，电池在较低荷电状态下内阻变化呈现出一定的复杂趋势 1 3-1 5O5结束语笔者采用充放电测试设备对高功率锂离子电池进行试验测试和相关数据分析，研究电池放电倍率对容量的影响。对电池在不同温度的环境下进行1 5A放电、不同放电电流放电，以及不同放电电流连续多次放电，得到研究结论。（1）通过对电池进行不同环境下普通倍率下的放电测试，验证在不同环境状态下电池容量伴随外界环境降低，具有不断下降的趋势。试验数据表明，电池在适宜环境温度2 5下使用时，电池容量为1 4.8 9 8 Ah。相比于适宜温度，电池容量在环境温度为-5和45下的放出容量分别提高2 6.7 9%、降低5.8 6%，由此证明外界环境改变对电池在普通放电倍率下的影响非常大。（2）对电池在相同电压差、达到同一截止电压时进行分析，在不同放电倍率下的电池容量伴随着放电电流增大呈现下降趋势。相比于在放电电流为1 5A时的电池容量1 4.8 9 8 Ah，在7 50 A、9 0 0 A、1 0 50 A 三种放电电流下的电池容量依次下降2 4.1 3%、6 6.34%、82.19%。（3）电池在高电流、一定循环次数放电周期内，电池容量并没有明显衰减。在一定周期内，并未因循环次数的增加导致电池容量衰减，而是在高倍率放电过程中出现电池容量急速减小。（4）在电池的放电过程中，电池的欧姆内阻和直流内阻与某一时刻的荷电状态相关。通过试验测试，证明当电池的放电倍率提升时，电池内阻会呈现下降趋势。其中，在较低荷电状态放电情况下，电池内阻呈现出复杂的变化趋势。参考文献1张文佳，尹莲芳，谢乐琼，等.影响高功率锂离子电池性能的因素 J.新材料产业，2 0 2 2（1）：6 2-6 4.2刘泽慧，高迎慧，孙鹞鸿，等.锂离子电池散热技术研究进展 J.电池,2 0 2 1,51(3）：31 0-31 4.3包有玉，余剑武，郭力，等.电池发热性能评价及影响因素J.电池,2 0 2 2,52(3):2 8 1-2 8 4.4沈川杰，赵建伟，梁一林，等.导弹、运载火箭用高倍率锂离子电池过放电概率的研究 J.科技与创新，2 0 1 8（1 0）：8889.5雷少帆，常林荣，苏锋，等.锂离子电池小电流过放电后容量衰减的研究 J.电源技术,2 0 2 2,46（4）：38 0-38 3.6陈芬放.高能量密度NCA正极锂离子电池老化过程产热特性研究 D.杭州：浙江大学,2 0 2 1.7刘嘉，晏裕康，雷治国.锂离子动力电池寿命预测的研究进展 J.电源技术,2 0 2 2,46（2）：1 2 7-1 2 9.8黄玉清.侯亮.浅析蓄电池内阻对一致性的影响 J.蓄电池,2 0 1 0,47(6):2 7 6 -2 7 7.9周礼.电动汽车锂离子电池温度性能研究 J.专用汽车，2022(5):15 17.10范智伟，乔丹，崔海港.锂离子电池充放电倍率对容量衰减影响研究J】.电源技术，2 0 2 0,44（3）：32 5-32 9.11WANG C,LIU Z H,SUN Y H,et al.Aging Behavior ofLithium Titanate Battery under High-Rate Discharging CycleJ/0L.Energies,2021,14（1 7),h t t p s:/d o i.o r g/1 0.3390/en14175482.12LIUZH,WANGGC,GUO X M,et al.ThermalCharacteristics of Ultrahigh Power Density Lithium-ionBattery J/0L.Journal of Power Sources,2021,506,https:/doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230205.13张凯博，贾凯丽，徐晓明，等.不同荷电状态下动力锂离子电池的热失控 J.电池，2 0 2 2,52（6）：6 42-6 45.14吴逸飞，专祥涛，黄柯.基于电池内阻的锂电池自适应充电策略 J.电源技术,2 0 2 2,46（1）：59-6 3.(下转第1 7 页）172023,61(8)总第7 0 8 期机械制造罡（编辑A上接第1 3页）YOKKOROOROOOKOOKOOOOKOKOKOKOOOEOEOOROEOOROKOOKOKOEOKEOKOOKOKKOEOOKORX上接第4页）岚）（编辑A研发5张慧峰.新型凸轮传动三缸单作用恒流量往复泵的研制J.石油钻探技术,2 0 0 1,2 9（4）：46-48.6西北工业大学机械原理及机械零件教研室.机械原理M.9版.北京：高等教育出版社,2 0 2 1.7黄文权，罗超.基于Creo软件的凸轮机构反转设计方法J.机械制造,2 0 1 9,57(1):2 9-32.8潘彦平.再谈低波动往复泵的运动与设计 J.石油机械，1995,23(12):13 17.9乔峰丽，苗鸿宾.直动滚子从动件圆柱凸轮CADJ.机械制造,2 0 0 7,45(5):2 0-2 1.10董怀荣，张慧峰，裴峻峰.凸轮机构往复泵与曲柄连杆机构往复泵性能对比分析 J.江苏石油化工学院学报，2 0 0 2，15 张健，刘建文，刘全兵.超高功率锂离子电池研究 J.电源技术,2 0 1 6,40（5）：9 7 3-9 7 6.收稿时间：2 0 2 2-0 9开始系统复位等待N有磁性金属杂物Y皮带停止测速轮计数N皮带静止Y测速轮停止计数，计算皮带滑行距离，确定磁性金属杂物位置电磁除铁器沿皮带运动到磁性金属杂物正上方电磁除铁器激磁并运动到下限位，测速轮计数器清零电磁除铁器运动到上限位电磁除铁器向外运动到外限位，退磁并延时图4控制程序流程一个月的运行实践表明，伺服定位式皮带输矿机磁性金属杂物清除系统成功清除矿石中磁性金属杂物14(4):10-13.11陈备，顾寄南.自动机凸轮机构的设计与动作协调性分析J.机电工程,2 0 1 8,35(1)：2 8-32.12王虹艳，李永康，廉自生，等.基于凸轮曲线的阀配流柱塞泵输出特性分析 J.华中科技大学学报（自然科学版），2022,50(2):32 37.收稿时间：2 0 2 2-1 2作者简介：王军伟（1 9 8 2 一），男，工程师，主要研究方向为石油机械装备设计。作者简介：杨斌（1 9 9 7 一），男，硕士研究生，主要研究方向为电池电性能和热量；樊立萍（1 9 6 5一），女，教授，主要研究方向为电池功率与同步发电技术。（编辑舞岚）的概率为8 7.5%参考文献1李剑峰.港口除杂机械把关实现零杂物”目标 J.煤矿机械,2 0 0 7,2 8(1 0):6 5.2李剑峰.济二选煤厂完善原煤除铁系统 J.煤矿机械，2010,31(3):89.3陈建生，杨钢，裘宝泉.管道式除铁器概述 J.矿山机械，2008,36(3):84 86.4郝先耀，戴惠新.除铁器的研制现状及其发展趋势 J.矿山机械,2 0 0 6,34(4)：1 0 7-1 0 9.5李勇，初秀珍.除铁器除铁能力的测定与评价 J.电瓷避雷器,2 0 0 1(6):6-8.6杨敏，张志刚，韩臻，等.组合式多极电磁除铁器的设计及应用 J.煤炭加工与综合利用,2 0 2 2（8）：7 3-7 6.7刘滨,刘志珍,刘凤亮.基于ANSYS的永磁除铁器的磁场计算与分析 J.矿山机械,2 0 1 0,38（1)：1 0 0-1 0 1,1 1 1.8唐奇，张奕.LJK联合磁性矿除铁器的研制与应用 J.金属矿山,2 0 0 8(7)：1 0 5-1 0 7.9李华才，李子龙，郑科，等.火电厂输煤系统盘式除铁器自动控制改造 J.设备管理与维修，2 0 2 2（7）：1 0 1-1 0 3.收稿时间：2 0 2 3作者简介：揭育韶（1 9 7 8 一），男，工程师，主要研究方向为矿山机械设备设施检修维护。