新能源汽车与锂离子电池拐点

导语

业界一直热衷于讨论电池安全、循环寿命和电池成组一致性等问题,而有关锂离子电池的“拐点”问题似乎并未受到关注。

  谈到电动汽车,人们首先想到的是其动力源载体————锂离子动力电池的成组应用问题。业界一直热衷于讨论电池安全、循环寿命和电池成组一致性等问题,而有关锂离子电池的”拐点”问题似乎并未受到关注。”拐点”是指动力锂离子电池在充放电前期和85%-95%阶段的电量特性曲线的拐点现象。这是电池本身的电化学特性使然,电池自身温度、环境温度和充放电流等因素都会影响到拐点的形态。

  磷酸铁锂电池充放电拐点现象及产生机理

  一只180Ah磷酸亚鉄鋰动力锂离子电池在室温下1/3C充放电的电压曲线如图1所示。充放电的电压平台都约为3.35V,充电电压两个拐点是3.25V和3.45V;放电电压两个拐点是3.4V和3.1V。

  

图1 磷酸铁锂电池充放电电压曲线

  从图1中的曲线可以看出,电池电压在充/放电的初期和末期,都有一段迅速上升期和迅速下降期,关注重点可放在充/放电末期的拐点现象。

  锂电池的充电过程是锂离子从正极脱嵌,迁移到负极并嵌入的过程。当正极锂离子脱嵌到一定数量后,受John-Teller效应影响,锂离子脱嵌将变得越来越困难,需要更多的能量才能从正极板脱出。外部表现为极化电阻增加,电压急剧升高。放电时,锂离子从负极脱嵌,迁移到正极,并嵌入到正极的晶格中。当负极的锂离子数量降低到一定程度时,电极表面反应速度降低,内阻急剧增大,造成电池电压急速下降。

  ”拐点现象”与锂离子电池安全

  笔者对国内权威部门出具的检测报告进行了分析,并依据相关数据统计得出拐点后的剩余容量不到电池总容量的10%,电池有效工作平台在总容量的90%以上。实验证明,充/放电末期的”拐点现象”说明电池已经到了容量即将充满或即将耗尽的末端,继续充/放电很容易产生因”电池电压过充或过放”及”过电流”等灾难性后果,对锂离子电池来说尤其可怕。由于电池长期处于过充或过放的疲劳状态,从而产生的锂枝晶会刺破电池隔膜造成电池永久性损坏,并易引起电池燃烧或爆炸,这种安全性事故在国内屡见不鲜。

  ”拐点现象”与锂离子电池寿命

  动力锂离子电池的”拐点现象”是不可避免的。一些电池厂商宣称可做到”充满放光”,通常就是超电池拐点的极限使用,电池成组后的循环寿命大打折扣,不到单体电池寿命的一半,由此称其为新能源汽车产业化应用的主要技术瓶颈也就不足为怪了。

  实践表明,常温下适度的充放电倍率(如0.3C-1.0C)电池会有较佳的表现,循环寿命也会长很多。纯电动汽车要尽量避免全充全放和高倍率充/放,应合理使用电池的平台区。拐点外是电池的薄弱点,充/放电超过拐点区会对电池造成伤害,全充全放则是影响电池安全并造成循环寿命缩短的根本原因。

  悖于电池客观规律的方法和手段频频现身于电动车实验项目,比如”全充全放”理论和各种均衡理论。有些做法表面上看似解决了电池的100%的SOC充放电问题,但实质大都是以牺牲电池循环寿命为代价,这种对电池电量采用全部”充满榨干”的想法看似提高了电池续驶里程,实际则严重损坏了电池原本健康的寿命,加速了电池性能劣化,使原本循环寿命可达到1500-2000次以上的单体电池成组后只能达到原值的一半甚至只有不到200-300次的寿命周期。

  试析解决问题的途径

  无论电池成组出厂时电池一致性多么出众,如果不采用科学管理手段并认真对待电池拐点特性,在使用后期仍会出现电池成组特性提前劣化现象,这就是为什么锂离子动力电池一直不能满足新能源汽车性能要求的根本原因。

  电池作为电能容器或电能量载体,其极限应用并不等于最佳应用,电池成组应用时,应尽量顾及拐点效应,不能超限使用,充分利用好电池平台的有效能量。此法咋看似乎是损失了些许剩余电量,却能换得电池循环寿命成倍延长。

  电池管理系统(BMS)应遵循电池本身的客观规律对成组电池进行合理管理,充分利用电池本身的拐点特性和曲线平台,采用合理的电子技术手段让成组电池发挥最大效能,如此提高电池组的寿命是完全可能的。

  (本文作者系中国电源工业协会副理事长,主要从事新能源汽车电池成组应用的研究工作)

  ( 编辑/李艳娇 )

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