鈦酸鋰電池在恒功率模式下的特性研究

鈦酸鋰電池在恒功率模式下的特性研究

能源技術(shù)是一項(xiàng)重要的電網(wǎng)技術(shù)，需要有效地連接能源系統(tǒng)，發(fā)展分布能源系統(tǒng)和促進(jìn)電動汽車發(fā)展。這對提高能源利用效率，促進(jìn)清潔能源的大規(guī)模使用，實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。已成為能源、科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的重要方向。鋰離子電池具有儲能密度高、能量效率高、工作溫度范圍寬、自放電小、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)電力儲能系統(tǒng)中所提到的容量通常是以千瓦、兆瓦為單位的功率容量或以千瓦時、兆瓦時為單位的能量容量。沿用電池的安時容量將對儲能電站的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)行造成混亂,不利于電池儲能在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用1測試過程及步驟以某國產(chǎn)鈦酸鋰電池(NCM/LTO體系)為實(shí)驗(yàn)對象,電池標(biāo)稱容量為40Ah,標(biāo)稱電壓2.3V。使用NBT5V500AC4N-T高精度電池測試系統(tǒng)對電池進(jìn)行充放電測試,測試過程中保持環(huán)境溫度為25±5)℃,數(shù)值上,I恒流(CC)充放電測試的具體步驟為:(1)對電池以nI恒功率(CP)充放電測試的具體步驟為:(1)對電池以nP進(jìn)行倍率測試時,n分別取為1、2、4,即恒流充放電模式下,電流分別為I進(jìn)行循環(huán)性能測試時,n取為2,即恒流充放電模式下,充放電電流為2I進(jìn)行混合動力脈沖能力特性(HPPC)測試時,在不同荷電狀態(tài)下以10I2結(jié)果與討論2.1放電能量變化電池在不同倍率下的充電性能曲線如圖1所示。在圖1(a)中,當(dāng)充電電流從I圖1(b)是充電能量保持率曲線,充電能量保持率的變化趨勢在恒流工況與恒功率工況下完全相反,恒流工況下,隨著充電倍率的增大,充電能量保持率與充電容量保持率的變化趨勢一致,緩慢下降;恒功率工況下,充電能量保持率隨著充電倍率的增大而明顯提高。這主要是因?yàn)槟芰渴请妷号c實(shí)際容量的積分,隨著充電倍率的增大,由于極化的影響,充電電壓平臺升高,在容量變化較小的情況下,充電能量的變化趨勢主要受充電電壓平臺變化的影響。圖1(b)恰好說明了當(dāng)充電倍率從I電池在不同倍率下的放電性能曲線如圖2所示。在圖2(a)中,恒流放電與恒功率放電時,電池的放電容量保持率隨放電倍率的增加變化趨勢幾乎一致,均隨倍率增加而減小。在圖2(b)中,恒流與恒功率放電時,電池的放電能量保持率變化一致,但恒功率工況下,放電能量保持率的衰減更為明顯。容量相差不大時,放電能量變化趨勢主要受放電電壓平臺變化的影響。恒功率放電時,隨著放電倍率的增加,極化更為明顯,由此導(dǎo)致了放電電壓平臺的下降。電池在不同充放電倍率下的庫侖效率與能量效率如圖3所示,隨著充放電倍率的增加,在恒流工況與恒功率工況下,電池的庫侖效率與能量效率均隨之降低;隨著充放電倍率的增加,庫侖效率略微下降,而能量效率下降較為顯著;在4P2.2恒功率工況下放電能量保持率衰減及能量效率分析鈦酸鋰電池在2I由圖4(b)、4(d)與4(f)可知,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,電池的充電能量保持率、放電能量保持率及能量效率均隨之降低,恒流工況下,循環(huán)2000次時,充電能量保持率衰減至93.5%,放電能量保持率衰減至91.6%,能量效率從92.7%衰減至90.9%;恒功率工況下,循環(huán)2000次時,充電能量保持率衰減至86.9%,放電能量保持率衰減至83.5%,能量效率從92.3%衰減至88.7%。相比于恒流工況下,恒功率工況下電池的充、放電能量保持率及能量效率均衰減較快。對比可以發(fā)現(xiàn),在用容量保持率及庫侖效率進(jìn)行衡量時,由于變化趨勢不明顯,很難將充電和放電分開來進(jìn)行分析;當(dāng)用能量保持率及能量效率進(jìn)行衡量時,就能明顯看出,在電池的循環(huán)過程中,放電循環(huán)性能的衰減明顯快于充電循環(huán)性能的衰減,同時恒功率工況下電池的放電性能及能量效率衰減更快。為了對以上現(xiàn)象進(jìn)行分析,對電池進(jìn)行了不同荷電狀態(tài)下的大電流及大功率的脈沖直流內(nèi)阻測試。鋰離子電池內(nèi)部存在離子電阻和電子電阻,這兩者之和即為鋰離子電池的直流內(nèi)阻,其包括歐姆內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻以及電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻。在實(shí)際應(yīng)用過程中,鋰離子電池的老化程度可通過測量直流內(nèi)阻而間接得到反映圖6為恒流與恒功率工況下,2I3電池性能特性本文通過對鈦酸鋰電池進(jìn)行恒功率及恒流充放電測試,綜合分析了兩種充放電模式下,鈦酸鋰電池初始容量(能量)、倍率、直流內(nèi)阻、循環(huán)壽命等性能參數(shù),對電流-容量(安時)、功率-能量(瓦時)兩套參數(shù)評價體系進(jìn)行了比較,并探討了鈦酸鋰電池在兩種模式下的工作特性及性能差異。鈦酸鋰電池倍率性能優(yōu)異,當(dāng)以電流-容量(安時)參數(shù)體系進(jìn)行評價時,電池在恒功率及恒流充放電條件下的倍率性能差異不明顯,循環(huán)性能相差較小;當(dāng)以功率-能量(瓦時)參數(shù)體系進(jìn)行評價時,電池在恒功率及恒流充放電條件下的倍率性能差異較大,且循環(huán)性能的差異更大。電池性能衰減首先表現(xiàn)出內(nèi)阻增加、電池放電電壓平臺下降,電池能量衰減先于電池容量衰減,所以用電池能量特性進(jìn)行評價能更快地監(jiān)測到電池性能變化。由此可知,以功率-能量(瓦時)參數(shù)體系進(jìn)行評價時能更為快捷、明顯地監(jiān)測到電池性能的變化。同時,鈦酸鋰電池在恒功率充放電模式下極化更為嚴(yán)重,倍率性能較差;恒功率充放電模式下的循環(huán)相較于恒流充放電模