低溫對移動基站中的電池性能影響

2020-12-19 翼思維物聯科技

電池作為解決能源問題的一個方向得到了長足的發展,在電池組使用中存在過充、過放、過流、過壓、充電不均衡等問題,嚴重製約電池本身的普及和應用。同時移動基站基本屬於無人值守機房,全國分布環境惡劣,基站供電質量差且容易中斷,因此移動基站的後備直流電源迫切的需要高效的電池管理系統(BMS)進行管理及溫度管理,保證後備電池安全、可靠的使用,同時儘可能的延長電池的使用壽命。目前國內對電池BMS系統的研究仍屬於起步階段,由於系統平臺的搭建涉及到通信、電子、嵌入式等技術,因此開發難度較大。

在鋰離子電池中,磷酸鐵鋰電池較被看好,這種電池雖然比能量不及鈷酸鋰電池,但是其安全性高,單體電池的循環次數能達到2000次,放電穩定,可快速充電且不含重金屬無毒環保。因此磷酸鐵鋰電池是目前被十分看好的鋰離子電池,尤其是動力電池和移動基站這些對體積比能量要求不如手機電池那麼高的領域。

雖然其具備了如此多的優點和優勢,但是其推廣的速度及應用領域的廣度、深度卻不盡如人意。阻礙其快速推廣的因素除了價格、磷酸鐵鋰材料自身的生產批次一致性等因素外,其溫度性能也是重要原因。

1 影響因素 ·

⑴溫度對磷酸鐵鋰蓄電池的影響

溫度對磷酸鐵鋰電池的影響相對鉛酸蓄電池要小很多,特別是在放電的情況下。對同等規格的兩種蓄電池進行溫度特性測試,磷酸鐵鋰電池要比密封閥控鉛酸電池容量高出20%。由於磷酸鐵鋰材料自身的電化學特性,該電池的低溫充電性能稍差,充電溫度要求高於0℃,否則電池的不可逆容量會隨著溫度的降低而升高。磷酸鐵鋰電池在55℃左右的環境下仍然可以較好地循環充放電。

⑵間歇浮充電對磷酸鐵鋰蓄電池的影響

由於磷酸鐵鋰電池的電解液是有機液體,再加上鋰金屬非常活潑,所以該電池必須密封。電池在正常充放電條件下幾乎不產生氣體,即使電池長期處於間歇浮充狀態,電池內部也不會產生較高壓力。另外,通信基站的備用電源長期處於浮充狀態,對於電池的間歇浮充而言,其電壓長期處於3.65V左右。這個電壓對電池極板和電解液都是比較穩定的狀態,因此磷酸鐵鋰蓄電池非常適合用於通信基站。

2 磷酸鐵鋰蓄電池的維護 ·

⑴環境要求

根據電池的環境要求,室溫不宜超過55℃,建議環境溫度應保持在0~55℃;避免陽光對電池直射,朝陽窗戶應做遮陽處理;確保電池組之間預留足夠的維護空間。

⑵注意事項

不同規格、不同型號的磷酸鐵鋰蓄電池禁止在同一直流供電系統中使用,新舊程度不同的蓄電池不應在同一直流供電系統中混用。如具備動力及環境集中監控系統,應通過動環境集中監控系統與BMS實時地對電池組的總電壓、電流、單體電壓、溫度進行監測。同時,通過電池監測裝置了解電池充放電曲線及性能,定期進行測量,及時發現故障並處理。

3 實驗 ·

實驗方案:以25℃為低溫測試基準點,先進行低溫性能的測試,從25℃開始至-20℃,每5℃為一溫度考察點,溫度變化速率為30min/5℃,每個溫度點下擱置24h後方可進行該溫度點下的性能測試;-20℃點充放電測試完畢後進行一次25℃下的充電-20℃下的放電測試,以驗證其低溫性能較差的制約因素是充電過程還是放電過程。具體過程:將溫度恢復到25℃,進行25℃下的充放電循環,最後以滿電結束,然後溫度再次降至-20℃進行一次-20℃放充電測試滿電下臺,至此低溫性能測試完畢;隨後進行高溫性能測試:為了消除低溫階段測試的影響,溫度恢復到25℃,並以此溫度下所測得的數據為高溫測試基準點,隨後進行高溫性能的測試,從25℃開始至60℃,每5℃為一溫度考察點,每一考察點考察0.5C放電容量。

每一考察點性能測試方案:以滿電態開始,以1/3C充電至3.65V恆壓至0.01C,擱置10min後以0.5C放電至2.0V,擱置10min,循環3次後滿電下臺。

4 測試結果及討論 ·

(1)不同溫度下電池的放電容量

放電容量統計結果見下表1。低溫性能以第一次25℃下的放電容量作為參考值,其它考察點的考察數據與其進行比較;高溫性能以低溫測試結束後的25℃下的放電容量作為參考值,其它考察點的考察數據與其進行比較。取3隻樣品各考察點的考察數據平均值作圖,如圖1所示。

表1溫度對放電容量(0.5C)的影響

從表1和圖1可以看出,在低溫階段,隨著溫度的下降,其放電容量是逐漸減少的。在0℃以上時,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℃只有常溫下的66.4%,-20℃則不到50%容量,在25~10℃,其容量衰減率每5℃增加1倍,20℃為-1.2%,15℃則為-2.5%,10℃為-4.5%;而在10℃~-15℃這個階段,其容量衰減率則基本相同,約為6%~7%/5℃,從-15℃降至-20℃其容量衰減率急劇增加,達到-15.6%,因此可以認為-20℃是此類電池的一個低溫坎。而在高溫階段,其容量變化不是很明顯,容量最大值相對基準也僅增加3%左右。且超過30℃容量基本不變,但值得注意的是,過了50℃後其容量曲線不升反降,60℃下容量與基準點持平。從此點可以看出,應儘量避免電池在50℃以上環境中長期使用。

圖1不同溫度下電池的放電容量

(2)不同溫度下電池的放電中值

電壓不同溫度下的0.5C與1C的放電中值電壓如表2所示,並對3個樣品的不同考察點的0.5C與1C放電中值電壓平均值作圖,如圖2所示。

表2溫度對放電中值電壓(0.5C)的影響 (mV)

從表2和圖2可以看出,溫度對中值電壓的影響與對放電容量的影響有些類似,低溫階段,隨著溫度下降,其放電中值電壓均是逐步降低,且下降速度呈逐步增加的趨勢,在0℃以上基本維持在3100mV以上,至-15℃降至2923mV,而-20℃相對-15℃,其中值電壓更是下降了近200mV,只有2720mV左右。而在高溫階段,除了60℃略微降低點,其它均是較前一溫度點有所增加,且增加幅度很小,極差值只有3245.7-3209.5=36.2mV。

圖2不同溫度下放電中值電壓變化

(3) 不同溫度下電池放電能量

由於在實際使用過程中,負載是額定功率輸出,電池放電能量決定了負載工作時間,因此有必要關注不同溫度下放電能量的變化情況。

放電能量統計結果見表3。取3隻樣品各考察點的考察數據平均值作圖,如圖3所示。

表3溫度對放電能量(0.5C)的影響

由於放電能量值是每一時刻點放電電壓與放電電流相乘對時間積分所得到的,因此放電錶3溫度對放電能量(0.5C)的影響能量隨溫度的變化情況與放電容量與放電中值電壓的變化比較接近,但其受溫度影響更大。10℃能量約保持在90%,0℃只有不到75%,而-15℃接近50%,-20℃約為常溫下的1/3。而在高溫階段,能量變化不明顯。最大值(50℃)也僅為103.4%,而在60℃時與常溫下持平。

圖3不同溫度下放電能量變化

(4) 低溫性能制約因素

將-20℃充電測試的放電性能與在25℃下充電在-20℃下放電的性能進行比較,見表4。

表4-20℃充放與25℃充-20℃放的放電性能比較

從表4中我們可以看出,相比低溫充電低溫放電,常溫充電低溫放電容量提升約1000mAh,相對容量增加10%,整體來看,性能提升不大。可見,制約此實驗中樣品低溫性能的主要因素在於放電過程,而非充電過程,所謂即使是充得進卻也放不出。因此,通過將此類電池放在常溫下充電的方式來提升低溫放電性能效果是不理想的。

圖448V180Ah電池組溫度探頭分布

5 多重考慮 ·

從上述實驗得知,溫度對電池包內部的影響是不能忽視的!為了減少重量及成本, 配件對材料減薄及實際保溫隔熱有持續的需求,然而這對於材料的可靠性甚至換熱性能都會帶來新的挑戰,未來也將通過保溫材料優化解決。

德耐隆Telite產品系列KW-PP採用獨創新材料工藝幫助移動基站(鋰電池)有效抵禦戶外高低溫的影響,為電池提供安全合理的工作環境,從而保持電池的溫度一致性,保持電池組的性能使用壽命。

電池包保溫隔熱防水防火專用材料德耐隆Telite的關鍵技術包括導熱、隔熱、保溫,低應力緩釋技術,新型阻燃技術三大技術,在協助電池進行熱管理、降低溫差、實現熱平衡;撞擊、跌落、爆炸瞬間完成衝擊力緩釋;實現在高溫、過充、刺穿防爆中的阻燃隔熱效果等方面將取得決定性的作用。

下面這些特性使德耐隆Telite保溫隔熱材料在各種電子設備和汽車應用中脫穎而出,並有助於您應對未來大容量鋰電池系統和其他部件的設計和生產的相關挑戰:

熱阻極低GB/T 10295-2008 0.155[m.K]/W

優異的熱穩定性(-185℃至200℃)

嚴酷條件下的可靠性能——耐熱衝擊、抗氧化、抗潮溼和耐化學品性

優異的電絕緣性(介電強度)

隔熱保溫(導熱係數僅為0.03W/m.k)

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