温度对磷酸铁锂电池性能的影响
温度对磷酸铁锂电池性能的影响
孙庆;杨秀金;代云飞;周寿斌
【摘 要】主要从放电容量、放电中值电压、放电能量3个方面研究了低温阶段与高温阶段两阶段温度对磷酸铁锂电池性能的影响，同时还对比了低温（-20℃）充放电与常温充电、低温放电2种情况下放电容量，最后考察了48V180Ah电池组（15串）在充放电过程中电池组内不同区域的温度场分布情况。实验结果表明：对于实验的样品，低温对电池影响较大，-20℃是其低温坎：高温下电池性能变化不明显，温度50℃以上电池性能开始下降，推荐使用温度范围O～50℃：常温充电相比低温充电其放电容量仅提升10％；电池组在使用过程中，最内部的单体与最外面的单体温度差异可达12℃。
【期刊名称】《电动自行车》
【年(卷),期】2011(000)009
【总页数】6页(P22-27)
【关键词】磷酸铁锂电池;性能;低温;高温;温度场
【作 者】孙庆;杨秀金;代云飞;周寿斌
【作者单位】江苏华富控股集团有限公司;江苏华富控股集团有限公司;江苏华富控股集团有限公司;江苏华富控股集团有限公司
【正文语种】中 文金融专业就业前景
【中图分类】TM911.4
锂离子电池具有工作电压高（是镍镉电池、氢镍电池3倍）、比能量大（可达165 Wh/kg，是氢镍电池的3倍）、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等众多优点。在锂离子电池中，磷酸铁锂电池较被看好，这种电池虽然比能量不及钴酸锂电池，但是其安全性高，单体电池的循环次数能达到2000次，放电稳定，可快速充电且不含重金属无毒环保。因此磷酸铁锂电池是目前被十分看好的锂离子电池，尤其是动力电池和储能这些对体积比能量要求不如手机电池那么高的领域。虽然其具备了如此多的优点和优势，但是其推广的速度及应用领域的广度、深度却不尽如人意。阻碍其快速推广的因素除了价格、磷酸铁锂材料自身的生产批次一致性等因素外，其温度性能也是重要原因。
此文考察了温度对磷酸铁锂电池性能的影响，同时考察了电池组在使用过程中各单体所处温度场情况。
1 实验方案
1.1 温度对磷酸铁锂电池性能影响实验方案
（1）选取规格为3.2 V10 Ah的3只出厂合格的磷酸铁锂电芯作为样品进行考察。
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（3）测试设备：深圳市新威尔电子有限公司生产的规格型号为CT-3008W5V20A-TF的高精度电池性能测试系统。
煦的拼音（4）恒温设备：东莞市贝尔试验设备有限公司生产的规格型号为BE-TH-150M3的可程式恒温恒湿箱。
（5）实验方案：以25℃为低温测试基准点，先进行低温性能的测试，从25℃开始至-20℃，每5℃为一温度考察点，温度变化速率为30 min/5℃，每个温度点下搁置24 h后
方可进行该温度点下的性能测试；-20℃点充放电测试完毕后进行一次25℃下的充电-20℃下的放电测试，以验证其低温性能较差的制约因素是充电过程还是放电过程。具体过程：将温度恢复到25℃，进行25℃下的充放电循环，最后以满电结束，然后温度再次降至-20℃进行一次-20℃放充电测试满电下台，至此低温性能测试完毕；随后进行高温性能测试：为了消除低温阶段测试的影响，温度恢复到25℃，并以此温度下所测得的数据为高温测试基准点，随后进行高温性能的测试，从25℃开始至60℃，每5℃为一温度考察点，每一考察点考察0.5 C放电容量。
每一考察点性能测试方案：以满电态开始，以1/3 C充电至3.65V恒压至0.01C，搁置10min后以0.5 C放电至2.0 V，搁置10 min，循环3次后满电下台。
（6）考察项目：每一考察点相对基准点的放电容量、放电中值电压、放电能量。
1.2 电池组在使用过程中各单体所处温度场情况
（1）为方便组装测试，选取15只3.2 V180 Ah按3×5的排列方式组装成电池组。
（2）将温度探头置于电池组中的不同位置。
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（3）充放电测试：以1/3 C恒流充电至54.75 V（单体电压3.65 V）随后转恒压充电至0.02 C，搁置10 min后以1 C放电至30 V（单体电压2.0 V）。
（4）考察项目：充放电过程中温度探头变化值。
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2 测试结果及讨论
2.1 不同温度下电池的放电容量
放电容量统计结果见下表1。低温性能以第一次25℃下的放电容量作为参考值，其它考察点的考察数据与其进行比较；高温性能以低温测试结束后的25℃下的放电容量作为参考值，其它考察点的考察数据与其进行比较。取3只样品各考察点的考察数据平均值作图，如图1所示。
从表1和图1可以看出，在低温阶段，随着温度的下降，其放电容量是逐渐减少的。在0℃以上时，基本能保持正常容量的80%以上，但0℃以下，容量下降速度加快，-10℃只有常温下的66.4%，-20℃则不到50%容量，在25～10℃，其容量衰减率每5℃增加1倍，20℃为-1.2%，15℃则为-2.5%，10℃为-4.5%；而在10℃～-15℃这个阶段，其容量衰减率则
基本相同，约为6%～7%/5℃，从-15℃降至-20℃其容量衰减率急剧增加，达到-15.6%，因此可以认为-20℃是此类电池的一个低温坎。而在高温阶段，其容量变化不是很明显，容量最大值相对基准也仅增加3%左右。且超过30℃容量基本不变，但值得注意的是，过了50℃后其容量曲线不升反降，60℃下容量与基准点持平。从此点可以看出，应尽量避免电池在50℃以上环境中长期使用。
天翔虎军师表1 温度对放电容量（0.5C） 的影响25(低温基准) 10318.4 10204.5 10130.6 10217.9 100.0 100.0 100.0 100.0 0.020 10205.9 10076.3 10014.0 10098.7 98.9 98.7 98.8 98.8 -1.215 10033.2 9734.1 9754.0 9840.4 97.2 95.4 96.3 96.3 -2.510 9637.7 9200.2 9306.5 9381.5 93.4 90.2 91.9 91.8 -4.55 9004.3 8527.4 8698.1 8743.3 87.3 83.6 85.9 85.6 -6.20 8279.5 7913.7 8106.2 8099.8 80.2 77.6 80.0 79.3 -6.3-5 7512.3 7111.0 7410.2 7344.5 72.8 69.7 73.1 71.9 -7.4-10 6762.0 6662.4 6925.7 6783.4 65.5 65.3 68.4 66.4 -5.5-15 5942.8 5972.2 6201.4 6038.8 57.6 58.5 61.2 59.1 -7.3-20 4550.7 4379.3 4420.3 4450.1 44.1 42.9 43.6 43.6 -15.625(高温基准) 9739.8 9644.5 9546.4 9643.6 100.0 100.0 100.0 100.0 0.030 9933.0 9833.2 9738.2 9834.8 102.0 102.0 102.0 102.0 2.035 10031.7 9937.6 9843.1 9937.4 103.0 103.0 103.1 103.0 1.140 10034.3 9945.9 9849.8 9943.3 103.
0 103.1 103.2 103.1 0.145 10040.7 9949.9 9855.8 9948.8 103.1 103.2 103.2 103.2 0.150 10035.7 9946.9 9852.4 9945.0 103.0 103.1 103.2 103.1 0.055 10004.2 9922.3 9825.4 9917.3 102.7 102.9 102.9 102.8 -0.360 9667.5 9848.2 9555.3 9690.3 99.3 102.1 100.1 100.5 -2.4123 平均值 1 2 3 平均值 变化率温度/（℃）放电容量/mA h相对测试基准点容量/（%）
图1 不同温度下电池的放电容量
2.2 不同温度下电池的放电中值电压
不同温度下的0.5 C与1 C的放电中值电压如表2所示，并对3个样品的不同考察点的0.5C与1C放电中值电压平均值作图，如图2所示。
从表2和图2可以看出，温度对中值电压的影响与对放电容量的影响有些类似，低温阶段，随着温度下降，其放电中值电压均是逐步降低，且下降速度呈逐步增加的趋势，在0℃以上基本维持在3100 mV以上，至-15℃降至2923mV，而-20℃相对-15℃，其中值电压更是下降了近200mV，只有2720 mV左右。而在高温阶段，除了60℃略微降低点，其它均是较前一温度点有所增加，且增加幅度很小，极差值只有3245.7-3209.5=36.2 mV。
2.3 不同温度下电池放电能量
由于在实际使用过程中，负载是额定功率输出，电池放电能量决定了负载工作时间，因此有必要关注不同温度下放电能量的变化情况。
表2 温度对放电中值电压（0.5C）的影响 （mV）温度/（℃）20 3211.0 3195.2 3199.5 3201.9 -16.2 -16.215 3195.4 3167.0 3173.1 3178.5 -23.4 -39.610 3176.8 3142.3 3148.5 3155.9 -22.6 -62.25 3151.4 3109.4 3117.0 3125.9 -30.0 -92.20 3118.6 3075.5 3081.9 3092.0 -33.9 -126.15 3073.0 3027.2 3034.1 3044.8 -47.3 -173.3-10 3018.0 2984.9 3001.7 3001.5 -43.2 -216.6-15 2929.5 2911.6 2930.6 2923.9 -77.7 -294.2-20 2733.6 2714.9 2717.0 2721.8 -202.0 -496.325(高温基准) 3214.4 3209.1 3205.1 3209.5 0.0 0.030 3225.6 3219.5 3216.4 3220.5 11.0 11.035 3234.1 3228.7 3226.4 3229.7 9.3 20.240 3239.0 3233.5 3232.1 3234.9 5.1 25.445 3240.0 3234.3 3233.2 3235.8 0.9 26.350 3247.0 3242.0 3241.3 3243.4 7.6 33.955 3248.5 3245.3 3243.2 3245.7 2.3 36.260 3244.8 3245.1 3240.3 3243.4 -2.3 33.925(低温基准) 3225.1 3212.2 3217.1 3218.1 0.0 0.01 2 3 平均值放电中值电压 相对上一考察点变化值相对基准点变化值

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