高 斌，趙二明，朱詠光，劉立業(yè)

（1.北京華特時(shí)代電動(dòng)汽車技術(shù)有限公司 RESS系統(tǒng)開發(fā)部，北京 101300；2.江西昌河汽車有限責(zé)任公司北京分公司 新能源開發(fā)部，北京 101300）

0 引 言

脈沖充放電循環(huán)可以造成動(dòng)力鋰電池容量和功率等特性出現(xiàn)衰減，主要與鋰電池電極材料破壞及電解液消耗有關(guān)，體現(xiàn)為內(nèi)阻增加、容量及功率性能下降，脈沖放電中溫升的增加也加速了該過程[1]。

隨著電動(dòng)汽車對加速性能要求提高，尤其是一些純電動(dòng)跑車更是存在極速工況，電機(jī)配置峰值功率非常大，對動(dòng)力電池脈沖放電倍率要求達(dá)到4C以上，在動(dòng)力系統(tǒng)脈沖功率需求控制失效情況下，動(dòng)力電池實(shí)際脈沖放電倍率可能達(dá)6C以上，顯著超過電池額定脈沖倍率；同時(shí)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)也在不斷進(jìn)步，使電池工作在高功率區(qū)、長壽命區(qū)間[2]，甚至可以控制電池系統(tǒng)溫差在5℃以內(nèi)，溫度波動(dòng)范圍小于20℃。因此需要在電池工作溫度有效控制條件下，進(jìn)一步試驗(yàn)分析脈沖功率控制失效對動(dòng)力電池電性能衰減及安全性的影響，為整車電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)裝置

所搭建的試驗(yàn)裝置如圖1所示，由6部件組成：（1）環(huán)境艙；（2）36Ah三元軟包電芯，電壓使用范圍為2.75 V～4.12 V，最大脈沖倍率為4C/10s，共3支電芯樣本，電芯樣本分別編號DC01、DC02、DC03；（3）1 mm厚度導(dǎo)熱鋁板，用于輔助電芯散熱；（4）0.7 mm厚聚氨酯泡棉，用于吸收電芯膨脹；（5）電芯約束工裝，設(shè)置100 N約束壓力，模擬電池模組環(huán)境；（6）電芯溫度監(jiān)控裝置，在充放電柜中集成，傳感器連接電芯負(fù)極極耳，控制電芯溫度上限小于35℃，使電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方案及條件

試驗(yàn)設(shè)備采用寧波拜特5V/600A充放電柜進(jìn)行電芯充放電測試，環(huán)境艙采用宏展PT-225高低溫環(huán)境艙，試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為25℃。

脈沖循環(huán)壽命測試方案為：（1）將3個(gè)電芯DC01、DC02、DC03分別連接充放電柜的3個(gè)測試通道，負(fù)極極耳監(jiān)控電芯溫度；（2）在（25±2）℃環(huán)境條件下，使用0.5 C充電至模組電壓4.12 V，靜置1 h；（3）模擬超出電池最大脈沖倍率50%，使用6C脈沖放電10 s，間隔40 s 后再次脈沖放電，重復(fù)脈沖放電至單體3.1 V，靜置30 min；（4）重復(fù)步驟2、步驟3進(jìn)行充放電脈沖循環(huán)測試，測試過程中若超過最佳工作溫度上限35℃，靜置1 h 后重新啟動(dòng)測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 脈沖循環(huán)壽命結(jié)果

計(jì)算每個(gè)完整放電周期6C脈沖累計(jì)容量，容量衰減曲線如圖2所示。在循環(huán)至100周時(shí)，3個(gè)電芯樣本容量出現(xiàn)一定增加，主要與電芯容量激活有關(guān)；在循環(huán)到280周時(shí)，電芯樣本容量保持率衰減到0.8以下，300～500周測試過程中容量衰減率基本穩(wěn)定在0.7左右，容量衰減達(dá)到30%。

圖2 容量衰減曲線圖

2.2 直流內(nèi)阻DCR對比分析

3個(gè)電芯樣本容量在第100周循環(huán)處于最佳狀態(tài)，在第400周循環(huán)容量明顯衰減，選取DC02樣品對比第100周、第400周脈沖放電曲線，如圖3所示。在100%SOC衰減至70%SOC階段，脈沖放電曲線基本一致，表明在該SOC區(qū)間，電芯第100周、第400周DCR沒有明顯區(qū)別；在小于70%SOC區(qū)間范圍，電芯第400周脈沖放電曲線的壓降明顯增大，表明電芯在第400周DCR明顯增大，導(dǎo)致電芯更快觸發(fā)電壓下限而終止放電。

在90%SOC，測試電芯第100周、第200周、第400周DCR值如圖4所示。不同循環(huán)周數(shù)DCR數(shù)值差異小于3%，與脈沖放電曲線顯示結(jié)果一致。分析得出：在SOC較高范圍區(qū)間，電芯極片活性較強(qiáng)，電芯脈沖循環(huán)測試導(dǎo)致的老化對鋰離子內(nèi)部遷移阻力影響較小[3]。

圖3 DC02電芯第100周、400周脈沖放電曲線對比圖

圖4 90%SOC狀態(tài)DCR對比圖

在40%SOC，測試電芯第100周、第200周、第400周DCR值如圖5所示。在第200周之前，電芯DCR沒有明顯變化；在第400周時(shí)，電芯DCR增加8%，與脈沖放電曲線顯示結(jié)果一致。分析得出：在SOC較低范圍區(qū)間，電芯脈沖循環(huán)測試導(dǎo)致的老化一定程度上影響鋰離子內(nèi)部遷移，進(jìn)而導(dǎo)致電芯放電容量降低[4]。

圖5 40%SOC狀態(tài)DCR對比圖

2.3 電芯拆解分析

電芯拆解負(fù)極極片如圖6所示。負(fù)極表面出現(xiàn)類似析鋰現(xiàn)象，暴露空氣環(huán)境10 min后，負(fù)極有發(fā)熱現(xiàn)象，且表面出現(xiàn)粉末質(zhì)感析出物，甚至，在潮濕空氣中，出現(xiàn)部分極片自燃現(xiàn)象，初步判斷負(fù)極出現(xiàn)析鋰。

圖6 負(fù)極極片

負(fù)極極片EDS（Energy Dispersive Spectrometer，能譜儀）測試數(shù)據(jù)如圖7所示，試驗(yàn)電芯負(fù)極極片EDS數(shù)據(jù)O元素含量比較高，正常負(fù)極極片EDS數(shù)據(jù)C元素含量比較高，由于EDS無法直接檢測Li元素，試驗(yàn)電芯負(fù)極中O元素高是由于析鋰與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致。表明試驗(yàn)電芯在6C脈沖放電循環(huán)過程中產(chǎn)生析鋰情況，由于電池工作溫度在正常范圍內(nèi)，分析析鋰原因主要是SE（ISolid Electrolyte Interface，固體電解質(zhì)界面）膜老化及電解液濃度增加造成，這也是試驗(yàn)電芯DCR增加及容量衰減的機(jī)理[5-6]。另外，出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，電芯在極端情況下甚至可能出現(xiàn)內(nèi)部短路導(dǎo)致熱失控[5]。

圖7 負(fù)極極片EDS 數(shù)據(jù)

試驗(yàn)電芯正極采用 SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）與正常電芯正極極片進(jìn)行對比，如圖8所示。左圖試驗(yàn)電芯正極極片SEM測量顆粒尺寸與右圖正常電芯正極極片沒有明顯差異，表明正極極片材料在脈沖放電過程中，并未出現(xiàn)破碎脫落情況，分析得出：試驗(yàn)電芯最佳工作溫度上限控制為35℃對正極具有一定保護(hù)作用，降低了正極與電解液的副反應(yīng)程度。

圖8 正極極片SEM

3 結(jié) 論

使用3個(gè)電芯樣本在控制最佳工作溫度上限35℃條件下進(jìn)行6C脈沖循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：循環(huán)測試500周后，電芯樣本容量出現(xiàn)30%衰減；但在大于70%SOC范圍內(nèi)，電芯樣本DCR沒有明顯增加，原因是高SOC范圍電極活性較強(qiáng)；在40%SOC附近DCR增加約8%，是電芯容量衰減的直接原因，負(fù)極SEI膜老化及電解液濃度增加是主要機(jī)理；同時(shí)負(fù)極出現(xiàn)析鋰，存在安全隱患，正極極片物理狀態(tài)正常，分析與試驗(yàn)控制在電池最佳工作溫度范圍有關(guān)。

因此，在動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除了做好動(dòng)力電池與電機(jī)功率的匹配外，也要不斷優(yōu)化動(dòng)力控制系統(tǒng)功能安全設(shè)計(jì)，避免因功率控制失效造成動(dòng)力電池出現(xiàn)容量衰減，甚至出現(xiàn)析鋰導(dǎo)致安全隱患。