美国陆军一直在追求车辆电气化以提高作战效能。其优点包括需要高功率脉冲占空比的新功能。然而,随着车辆平台尺寸的减小,储能系统(ESS)支持系统要求的脉冲功率放电率(>40 C-rate)可能会显著高于商用ESS。

研究结果表明,在高功率脉冲占空比的锂铁磷酸盐电池上,寿命性能显著下降。在2秒和3秒的脉冲持续时间测试中,观察到的退化率分别为22%和32%。虽然这些细胞在10°C的对流室中进行热管理,但2秒脉冲显示31°C的温升,3秒脉冲显示48°C的温升。

放电温度升高导致锂损耗增加,寿命降低。为了减轻热引起的退化,使用不同的热管理系统和替代电池设计进行了讨论和建议。

介绍

美国军队对车辆电气化的追求是实现显着燃料储蓄/范围扩展,增加的静音手表/移动性和电子战中的新功能,以及电子战,高功率传感器和定向能源(DE)系统的益处。

图1所示。电池容量与平台尺寸标准化,提供无声移动和定向能源能力。(美国陆军CCDC地面车辆系统中心)

图1显示了采用混合动力汽车(HEV)配置的30 kw DE和100 kw DE功率以及商用系统的示例。(注:标准行业惯例是根据C率来定义充电/放电。根据定义,1 c速率的放电相当于在一小时内将整个电池放电的放电电流。)

混合电动作战车辆平台重量(3.9 kW/t)和电池组按比例大小(0.6 kWh/t)的无声移动功率需求已经标准化。因此,在不同的平台尺寸下,无声移动能力的放电率是恒定的。使用现有的HEV ESS解决方案可以满足这一排放率。然而,随着平台尺寸的减小,与标准HEV ESS解决方案相比,用于DE能力的ESS放电率显著提高。在这些脉冲电源应用中,高功率脉冲占空比的放电率比商用HEV ESS系统高(>10 C),从而导致热和电应力增加。

以前的工作

关于高速放电的实验工作已经有限地发表。然而,Wong等人测试了LiNix有限公司y艾尔1-x-yO2(NCA)和LiFePO4(LFP)脉冲在高速率。对于在15c放电速率下测试的LFP细胞,细胞容量的快速衰减归因于细胞电阻的增加。

细胞降解理论和预测对多种商业应用至关重要,是一个活跃的研究领域。基于经验和物理老化机制的模型已经被提出。

基于之前的工作,电池降解是通过固态电解质间相(SEI)生长而消耗活性锂材料。如图2所示,电解质反应并消耗锂形成不溶界面,降低电池容量。

图2。理想的电化学反应是在石墨中插入锂,但锂也可以与电解质的成分反应,形成固态电解质界面。(美国陆军CCDC地面车辆系统中心)

实验

基于LFP电池在商用脉冲电源中的应用,例如长寿命的电动工具,我们选择了26650 LFP电池。

将细胞连接到A&D /比特频率电子负载,通过固定到细胞负极突片和细胞皮肤表面的热电偶。然后将细胞置于10℃的温度室中,以在10℃下进行环境控制以进行自动寿命测试。

结果

图3显示了对负载轮廓的电池电压和电流响应,如表2所示,具有120秒的脉冲两秒钟。可以看出,在达到2V放电极限之前,电池可以在达到脉冲六分钟。与此配置文件的初始容量为1.84啊。对于3S的120-a脉冲下的电池显示出类似的轮廓,初始容量为1.95°。

图3。LFP 2.3 Ah在充放电过程中的电流和电压特性。(美国陆军CCDC地面车辆系统中心)
图4。充放电时的温度特性测试。在120-A脉冲放电时发生加热。在10a充电时发生冷却。环境温度为10℃。(美国陆军CCDC地面车辆系统中心)

具有温度的放电快照如图4所示。由于三秒120-脉冲引起的发热将电池皮肤温度增加到58°C。这显着高于两秒钟脉冲轮廓期间观察到的41°C。由于10℃的环境空气冷却,两个细胞在电荷曲线期间冷却。劣化数据如图5所示;容量损耗基于脉冲配置文件期间的初始循环能力。

图5。LFP 2.3 Ah电池容量损失与120-A脉冲2秒和3秒。降解明显低于1000个循环的设计目标。(美国陆军CCDC地面车辆系统中心)

在250个循环后,3秒120-A脉冲显示出更高的退化(32%),而2秒120-A脉冲显示出更高的退化(22%)。降解率大大高于预期的降解率(1000次循环),这可能是由于较高的温度造成的。

降解减缓

由于SEI增长导致的锂损耗似乎是主要的损耗机制。由于焦耳加热产生的较高温度,随着脉冲持续时间的增加,SEI增长加快。SEI增长随着温度的升高而增加,因为电解液分解的反应速率被假定为遵循arrhenius型依赖。考虑到SEI的增长随着温度的升高而增加,改进的热去除应该可以缓解脉冲诱导的退化。

为了更好地评价散热性能,建立了26650 LFP电池的热模型。利用高脉冲放电数据和混合脉冲功率特性测试数据,拟合出一个2-RC等效电路。利用能量方程,有可能估计细胞内的温度分布。利用ANSYS计算流体动力学(CFD)工具和单元数据,可以估计单元上的温度分布。

由于电池结构,电池的导热率沿径向低于轴向。然而,尽管通常监测细胞表面温度,但估计内部细胞温度至关重要。虽然某些部件由于突片而冷却,但电池的最热部分是朝向中心。

重要的是要设计电池,以确保足够的热量,以避免热热点和随后的降解。这可以通过替代电池设计和冷却来实现。

结论

基于高脉冲放电轮廓,观察到LFP细胞加速降解。随着脉冲的持续时间的延长,衰减逐渐增加。分析表明,SEI增长导致的锂损耗是主要的损耗机制。

由于焦耳加热观察到较高的温度,SEI增长加速。通过适当的细胞设计和交替冷却(包括浸入/蒸发冷却),可以减缓SEI的增长。未来的工作包括开发模型以预测不同条件下的故障,以及其他电池表征技术以进一步阐明降解机制和确定缓解措施,包括改进的热管理系统。

本文是SAE技术论文2020-01-0452的浓缩版,“用于高速率放电应用的锂离子电池加速退化”,作者是美国陆军作战能力发展司令部(CCDC)地面车辆系统中心的Tony Thampan、Yi Ding和Laurence Toomey。

论文可从SAE International网站订购或下载在这里


电池技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号电池技术杂志。

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