Now Reading
P3研报:不同“配方”动力电池电芯在低温条件下的充电表现


众所周知,纯电动汽车在冬季低温环境下都面临着电池续航里程下降以及充电速率低的问题。


针对上述问题,为了详细了解低温环境对于电池充电造成的实际影响及其原因,德国专业媒体邀请P3公司开展了一次深度研究测试。


此研报(不同化学配方的电芯在低温条件下的充电表现)中所展示的是德国P3公司从理论分析电芯测试以及充电测试三个层面,对选用NCA(镍钴铝酸锂)和LFP(磷酸铁锂)为电芯正极材料的两款18650圆柱电池的测试结果。



理 论 分 析

一般情况下,纯电动汽车动力锂电池的最佳运行温度为15-35°C。而为了满足极寒地区(例如加拿大和挪威)的使用条件,整车厂必须保证纯电动汽车在-30至+60°C的室外环境内依然可以正常使用。


即便如此,当我们在冬季低温环境下驾驶电动汽车时,依然能够明显感受到车辆续航里程的显著下降。与此同时,为了保护电池在低温环境下的稳定性,电池的充电功率也会受到一定程度的限制。 


实验研究表明,低温环境对于动力锂电池的性能有三方面的显著影响


  • 功率损耗(Power Loss)

  • 容量损耗(Capacity Loss)

  • 循环寿命缩短(Cycle Life degradation)


下面我们就分别来简单的了解一下。


功率损耗

Power Loss

笼统地讲,锂电池工作的原理方式,是负极的锂离子通过电解液游离,穿过电池隔膜,运动回正极的过程中产生电流。而回到正极的锂离子越多,放电容量就越高。


从电化学的角度分析,在低温环境中,锂离子本身在电极、固体电解质界面膜(SEI膜)和电解液中的扩散能力会下降(低温导致的电化学动能下降);在石墨负极发生的极化现象则会延长锂离子在电极间的传导时间;同时电解液在低温时黏度的增加也会导致锂离子传导率的下降。


当处于低温环境时,以上三重因素锂离子扩散能力下降;负极极化现象;电解液黏度增加)共同导致了动力锂电池内阻的显著增大,而更大的电池内阻则意味着更多的热损耗,这也是低温时动力电池功率损耗(Power Loss)的主要原因。


容量损耗

Capacity Loss

试验测试表明,动力锂电池在低温环境下的容量保持率(Capacity Retention)相较于室温环境下降了至少30%。


导致该现象出现的原因与我们之前提到的功率损耗(Power Loss)的原因类似:电池内阻增大以及锂离子活性降低致使部分锂离子脱嵌能力下降而无法有效参与电化学反应。研究显示,LFP(磷酸铁锂)正极材料在低温环境时(-20°C)的电荷转移阻抗(Charge-transfer resistance)是室温环境下(30°C)的3倍


除此之外,我们发现即使以低功率对电池进行充电,仍然能够观测到动力电池容量的减少,因为正负极间的高电极活化能(high electrode activation energies)导致了极化现象(polarization effects)的产生。


循环寿命衰减

Cycle Life Degradation

实验测试表明,汽车动力电池在使用寿命末期(EoL)的电池内阻增大约33%左右,而容量保持率大约为寿命初期(BoL)的80%。


正如我们之前所提到的,在低温环境下运行会加剧动力电池老化,因为这会导致固体电解质界面膜(SEI膜)厚度增加、锂离子扩散能力下降以及电解液传导性降低。甚至在极端低温和大电流通过时,还可能会引发不可逆的析锂现象(lithium plating)。


析锂现象会导致阻抗上升,活性材料与锂离子损耗,电池性能下降,循环寿命大幅缩短。极端情况甚至会穿透隔膜造成电池短路,引起燃烧、爆炸等灾难性后果。



充 电 测 试

在实际的低温充电测试(Charging tests at low temperature)过程中,P3公司的研究人员选用了三款来自不同厂商的NCA和LFP圆柱电芯,并对它们在0°C-10°C的低温环境中进行充电测试。


测试初始条件是选择了常见的恒流-恒压(CC-CV)充电模式,即开始时使用恒定电流充电,后期使用恒定电压充电。同时为了保护电芯,防止在低温下出现析锂现象,测试所使用的充电电流被限制在了1C,即1小时从SOC(State of Charge)0%充电到100% 。

实验结果显示,所有测试电池在0°C时的充电性能均优于其在-10°C时的充电性能。也验证了更高的温度更有利于改善由于低温造成的电池高内阻与低离子传导性的理论。但同时通过实验发现,电池内部发热并非是影响充电速率的主导因素。(测试中电池内部发热最大温差为16°C)主导因素依旧是电池的活性材料与电解液。


总的来说,NCA电芯在低温环境下比LFP电芯拥有更好的充电表现


  • -10°C环境下,0%-80% SOC充电,LFP电芯所需充电时间是NCA电芯的1.7倍。


  • 0°C环境下,0%-80% SOC的充电阶段,两种化学配方的电池充电时间则比较接近。但在80%-90% SOC的充电阶段,LFP电芯所需时间依然是NCA电芯的1.5倍。

在整车充电测试环节中,车辆的热管理系统会被强制关闭并在4个不同温度设定的测试箱内静置一晚,于第二天开启热管理系统进行充电测试,根据纯电动汽车在不同温度环境下的充电曲线表明:动力电池温度以及车辆热管理系统对充电性能的影响很大,尤其是在充电过程的开始阶段。


充电过程中,充电的功率和动力电池的温度都将随电池电量的增加而增加。拥有较高初始温度的动力电池几乎在整个充电阶段都有更高的充电功率,也由此能更快达到80%的SOC,并且此时所有电池的温度和充电功率趋于一致。


结论表明,动力电池的充电起始温度对于充电速率有决定性的影响。



本次P3公司的测试报告简析了低温环境下充电对于不同化学配方的动力锂电池所造成的影响及其原因,并总结了以下几个关键结论:


  • 动力锂电池的低温性能由电池的多个部件决定,而决定电池快充过程的影响因素是负极材料电解液


  • 影响动力电池低温充电的主要原因是因为动力电池在低温环境下拥有更高的内阻(-20°C时内阻是室温时的5倍);更高的电荷转移阻抗更高的电极活化能以及锂离子在电极,SEI膜,电解液间更低的扩散与传导率。


  • 低温环境不仅会降低动力电池的性能,减少电池容量(最多50%),更会缩短动力电池的循环寿命(低温环境下的老化速率是60°C时的4倍)。


  • 相较于LFP(磷酸铁锂)电池,NCA(镍钴铝酸锂)电池在低温下展现了更好的充电性能。这一现象要归功于NCA电池更长的恒流充电区间,不同的材料结构以及电极设计


  • 整车厂为保证纯电动汽车在-30至+60°C的室外环境内的正常使用,在电池包增加了热管理系统,用以降低低温环境对动力电池造成的影响。这也是为什么电池包层面的低温测试对于最终评价来说尤为重要。


  • 电池包的预加热提升了动力电池的初始充电温度,这将影响整个电池的充电过程,也同时为快充创造了条件。


由于车辆热管理系统的逐渐完善,普通电动车用户对于这一现象的感知将会逐渐减少。或许在不久的将来,更完善的化学配方和更强大的热管理系统会使电动车在低温环境的负面影响完全消失。


不过,在那一天到来之前,您是否会考虑为您心爱的电动汽车在冬季盖上一层“棉被”呢?



🔍研报作者Markus Hackmann, Ines Miller, Alexander Meister, Christian Daake


🔍本文作者刘子达

作者在欧洲有多年的整车及动力电池生产与规划经验。现就职于P3 Automotive GmbH,负责电池工业类咨询业务。在亚洲企业主导动力电池市场的背景下,也希望能够为更多出海的中国企业提供国际市场全产业链的咨询服务。


🔍P3公司介绍

德国P3公司 (P3 Group) 是一家成立于1996年的专注汽车工程技术、产品设计及研究的综合性咨询公司。在全球17个办公室拥有超过1000名员工。公司总部位于德国斯图加特,并在北京,上海,深圳设立有分公司。P3公司 (P3 Group) 下属的电动化业务部门(P3 Electrify)从协助德国OEM客户开发第一代混动汽车开始至今,已有超过15年的电动汽车行业咨询经验。现已发展成为一个横跨三大主题:电池,电驱,电网与充电的专业性咨询部门。电动化业务部门的200名专业咨询师能为客户提供产品开发认证,工业规划,上下游供应链开发等全产业链咨询服务。

几何四驱 • 精选

四驱·趋势标:数读 · 2021(1-6月)SSP平台 | E-Fuel | 数读 · 2020(全年)电动化 | 汽车零部件供应链 | 氢能战略 | 欧盟碳排放 | 彭博社报告 | 新冠病毒 | 德国疫情 | 电动化在中国 1 | 电动化在中国 2 | 德国汽车业 | 电动化在德国 

四驱·車馬炮:車馬炮 Vol.01 車馬炮 Vol.02 | 車馬炮 Vol.03

四驱·车几何:设计师访谈-Mr. Ahn Dre | 草图日记本 1 | 草图日记本2 | 手绘视频详解 | SUV手绘教程

四驱·卒象士:特斯拉 | 博世 | 未来驾舱 | eCall

四驱·車资讯:赫伯特·迪斯 | 新能源趋势和方向 | 欧洲动力电池建厂计划 | 柴油门 | 特斯拉危机 | 电动汽车欧洲自驾 | 电动车型盘点2021 | 欧盟气候目标 | 德国大陆集团 安全气囊

四驱·硬核标:德国充电桩 | FMEA方法模型 | Eclipse Kuksa | Event Data Recorder | 冰羚 | 涡轮增压 | ADAS系统


「几何四驱」已入驻「知识星球」

我们希望可以用“知识”搭建一座“城邦”,

只为专注服务人群中2%的终身学习者!


本篇文章来源于微信公众号: 几何四驱

What's your reaction?
Love It
0%
Like It
0%
Want It
0%
Had It
0%
Hated It
0%
About The Author
王晓峰
德国经济工程工学硕士 十一年德国汽车行业质量管理经验,拥有VDA 6.1/6.3/6.5以及IATF 16949 二级审核员认证资质。曾先后服务于多家世界前十的汽配集团,负责过质量体系的开发和改进,以及供应商全球化体系的质量管理与审核。现任职于某德国顶级汽车供应商ADAS商业单元,任职质量经理,负责多款主流车载传感器的项目对接,质量控制计划制定,产品工艺品控以及生产流程审核!
Comments
Leave a response

You must log in to post a comment