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锂离子电池循环寿命:家用储能电池与AGV锂电池应用中如何预估其使用寿命?

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锂离子电池循环寿命:家用储能电池与AGV锂电池应用中如何预估其使用寿命?

  • 分类:行业资讯
  • 作者:
  • 来源:鹏诚新能源
  • 发布时间:2022-07-26 07:48
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锂离子电池循环寿命:家用储能电池与AGV锂电池应用中如何预估其使用寿命?

【概要描述】尽管有能量守恒原则的存在,但物质在具体使用过程中是不断发生变化的。锂离子电池在使用的过程中因为化学能与热能、电能之间的相互转化,也必然会导致某些物质的形态等发生变化,从而使得电池使用过程中能够有效对外输出的容量通常呈现逐步下降的趋势,直到某一设定的“阈值”而寿命终止。通常定义为锂离子电池在某一条件下全充全放循环过程中实际放电容量为初始容量的80%时所经历的全充全放电次数为锂离子电池的循环次数,这个“80%”与锂离子电池的设计有直接的关系,具体与负极容量过剩系数密切相关。

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  • 来源:鹏诚新能源
  • 发布时间:2022-07-26 07:48
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       尽管有能量守恒原则的存在,但物质在具体使用过程中是不断发生变化的。锂离子电池在使用的过程中因为化学能与热能、电能之间的相互转化,也必然会导致某些物质的形态等发生变化,从而使得电池使用过程中能够有效对外输出的容量通常呈现逐步下降的趋势,直到某一设定的“阈值”而寿命终止。通常定义为锂离子电池在某一条件下全充全放循环过程中实际放电容量为初始容量的80%时所经历的全充全放电次数为锂离子电池的循环次数,这个“80%”与锂离子电池的设计有直接的关系,具体与负极容量过剩系数密切相关。

       在上面定义循环次数的时候,我们注意到的关键词为“某一条件下”和“全放全放”,说明循环次数是受很多外部条件限制的。比如锂离子电池循环次数通常受温度、湿度、充放电电流、充放电深度(DOD)等等有直接相关性,同时一个不可不重视的情况是:当多颗同型号的电芯通过串并联方式,并结合一定技术形式的电池管理系统进行集成形成锂离子电池组(PACK)之后,其电池组的循环寿命与电芯(或者叫单体电池)的循环寿命也是不一样的,例如以51.2V40Ah的AGV锂电池为例,采用常温1C充放电(C 为放电倍率)循环可以达到2000次的CATL的磷酸铁锂圆柱电芯(圆柱电芯的优势对比参考文章:圆柱电芯优势剖析),通过16S2P的方式集成,其电池组的电芯数量为32颗,这种情况下该AGV锂电池的循环寿命(相同的温度和倍率下)是小于2000次的,通常根据PACK的技术和工艺、电芯数量、结构、散热等等可以实现电芯循环次数的70%--85%,也就是约1400--1700次之间。

       那么,究竟不同的条件是如何影响锂离子电池的循环寿命?下面我们将进行详细的说明与分析,在前面我们定义了电池的循环寿命,展开分析之前我们需要新认识2个基本的概念如下:

一、荷电状态(SOC)与放电深度(DOD)的定义以及对循环寿命的影响

       1、荷电状态(SOC,State of Charge):通俗地讲就是电池内部存有的电量(可释放出的容量)与电池最大能够存储的电量的比值。比如一个最大容量为100Ah的电池,在充满之后放电了50Ah,或者在彻底放电之后充电了50Ah,那么这个存储在电池内部的可释放容量就是50Ah(不考虑能量损坏),其荷电状态就等于50/100*100%=50%SOC。形象比喻:一个最大500mL的杯子,里面只有200mL的水了,这个时候的状态就是200/500*100%=40%。

       2、放电深度(DOD,Depth of Discharge):指电池从一个SOC放电至另一个SOC所释放的容量与电池最大放电容量的比值。简单理解为放电初SOC与放电结束SOC的差值。例如一个100%SOC电池完全放电时的放电深度为100%DOD,一个电池从100%SOC放电至50%SOC则放电深度为50%DOD,同理一个电池从80%SOC放电至40%SOC则放电深度为40%DOD,以此类推!

       显然,上述定义循环寿命的时候提到的是全充全放,也就是电池从100%SOC放电至0%SOC的循环次数,简单说就是100%DOD下的循环,也叫深度循环。我们将放电深度低于100%DOD的循环统称为“浅充浅放”循环。电池的使用寿命随着放电深度DOD的减小而呈显著上升的趋势,如下图所示:一个12V30Ah电池在100%DOD的情况下循环500次,但是在30%DOD的情况下循环次数超过4000次,同时从曲线看,在相同的放电深度DOD情况下,不同的SOC区间对应的循环次数也有差异,表现为:低SOC区间的循环寿命优于高SOC区间的循环寿命,也就是人们通常说的过充电对锂电池损坏更大。

二、温度对循环寿命的影响分析

       1、温度对锂离子电池的使用寿命影响非常大,高温下电池内部化学副反应增加而降低输出能力,低温下由于离子迁移速度减慢而使得充电效率降低。因此锂离子电池都有一个最佳的充电温度区间和放电温度区间,更可以理解为任何一种二次蓄电池都有适合自身的最佳温度区间。

       2、通常锂离子电池不推荐在低于0℃条件下充电,因为随着温度降低,离子迁移速度减慢以及反应速率降低等,会导致在充电过程中负极锂离子转化为金属态锂的过程中负极表面吸附锂金属而降低容量、增加安全风险。

       3、具体而言,随着温度的增加,锂离子电池的循环次数呈现“开口向下”的抛物线形式,也就是说低温或者高温区电池的循环寿命都会降低,最佳温度区间通常在20--30℃之间且与具体的材料体系有一定关联性。

三、电流对循环寿命的影响分析

       1、充放电电流除了用电流值表示之外,在锂离子电池中一般用“倍率C”表示,具体为:倍率指的是锂离子电池的充放电电流数值等于电池容量的多少倍。举例为:一个20Ah容量电池,0.5C倍率放电的电流I=0.5*20=10A,一个50Ah容量电池采用0.3C倍率放电的电流I=50*0.3=15A,以此类推。

       2、随着锂离子电池工艺技术的发展,电流对循环寿命的影响也随之变化。在过去以数码产品为主的时代,基本上电流越大循环也就越差,但是现在动力电池的发展,尤其是诸如刀片电池、全极耳工艺等的应用,在锂离子电池内部电流密度分布均匀性方面有了显著提升,因此电流的影响并不是很显著。例上述提到的CATL的20Ah圆柱电芯0.5C和1C的循环差异并不是很大。

       3、简单理解的话,电流对循环寿命肯定有影响,但不一定电流越小循环越好,比如有一种镍锌电池,这种化学体系表现为电流越小寿命显著下降。

四、AGV锂电池与家用储能电池使用状况分析(工况)

       1、AGV锂电池的使用工况:随着机器人的发展,AGV锂电池需求日益增加,在这个领域,作为一种运载工具,充电场地和使用场地是分开的,同时为了确保效率通常采用快速充电方式。因此:

       (1)、一般情况下不能满充电,快速充电到80%SOC左右之后就需要回到工作场地进行工作。

       (2)、由于防止设备、物料等“趴窝”(即停留在产线不动),以及确保AGV车回到充电的位置,通常在使用过程中都会留存30--50%的电量以备不时之需。

       因此,在AGV锂电池领域,是一个典型的“浅充浅放”使用场景。从上面分析看,工作的SOC区间一般在30%--80%SOC之间,根据具体使用环境和设计要求每家会有一定的差异。

       2、家用储能电池使用工况:与AGV锂电池有类似之处,作为一个储能的备用,通常情况不能允许将其电彻底放完,否则失去继续使用的意义,另外结合新能源一般都要求最大化新能源发电存储,这种应用场景居多的是每天都充满电了但是并没有用完,如遇阴雨天则可以启动余存的电量进行供电。根据配置不一样大致分2天或者3天的持续供电,也就是每天用三分之一到一半的电量,相当于使用SOC在33%--100%SOC之间。

       上述根据AGV锂电池和家用储能电池的工况特点,假设电芯的循环次数为2000次,而电池组PACK的100%DOD循环次数为1700次的话,在AGV锂电池或者家用储能电池50%DOD循环条件下,电池组循环超过3500次以上是完全有可能的(当然这里不考虑因硬件的损坏而使电池组不能工作的情况)。

       综上所述,锂离子电池使用寿命实际上是很复杂的参数,需要严格根据实际应用环境进行判断,尤其是一些做国外出口家用储能电池的商家,在给客户质保承诺的时候务必结合实际应用情况进行综合分析和理性判定,不可一概而论。

 

注:本文是属于深圳市鹏诚新能源科技有限公司(简称:鹏诚新能源)原创文章,版权所有,如需转发请发信息至邮箱:Sales01@pchne.com。

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