電動(dòng)汽車的電池充電時(shí)間還有大幅度縮減的空間嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-27 14:14
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我們所熟知的新能源汽車除了純電動(dòng)汽車外，還包括插電混合動(dòng)力汽車，兩種車型由于設(shè)計(jì)上的區(qū)別，因此對(duì)于動(dòng)力電池的要求也不盡相同，純電動(dòng)汽車為了獲得更好的續(xù)航里程對(duì)于動(dòng)力電池的能量密度的要求更高，而插電混合動(dòng)力電池配備的電池模塊通常容量較小，因此對(duì)于電池的倍率性能有較高的需求，同時(shí)出于提高純電續(xù)航里程的目的，插電混合動(dòng)力車輛對(duì)于動(dòng)力電池的能量密度的要求也比較高，對(duì)功率密度和能量密度的高要求也導(dǎo)致了插電混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力電池設(shè)計(jì)比較困難。
近日，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的IanD.Campbell（第一作者）和GregoryJ.Offer（通訊作者）等人通過建模的方式分析了如何在滿足混合動(dòng)力汽車對(duì)于倍率放電和快充的需求的前提下，實(shí)現(xiàn)單體電池能量密度的最大化，大大提高了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)效率。
實(shí)驗(yàn)中采用的混合動(dòng)力汽車模型如下圖所示，其中包含：1）電池包；2）三相轉(zhuǎn)換器；3）永磁同步電機(jī)；4）力矩混合齒輪箱；5）驅(qū)動(dòng)力分配系統(tǒng)，電池所需要的電力來自于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電池的工作模式被設(shè)定為完全用電力驅(qū)動(dòng)并且不對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)充電，也就是說在這里我們假設(shè)混合動(dòng)力汽車的蓄電池是在最為惡劣的工況下進(jìn)行工作。這里不的不提的是作者在模型中采用了極柱散熱的方式，降低了電池內(nèi)部的溫度梯度，從而將電池的衰降速度降低了2/3，也就意味著使用極柱散熱的電池的壽命能夠提高三倍，這對(duì)需要進(jìn)行快速放電和充電的動(dòng)力電池而言尤為重要。
由于作者采用了極柱散熱的方式，因此在電池表面就不需要進(jìn)行散熱，因此可以合理的假設(shè)電池在直徑方向上不存在溫度梯度，因此我們就可以將電池厚度方向上可以轉(zhuǎn)化為1片極片的功率仿真，從而實(shí)現(xiàn)電池模型維度的壓縮，降低模型的復(fù)雜程度。
動(dòng)力電池功率性能要求較高的過程主要有兩個(gè)：1）加速過程；2）快速充電過程。充電過程我們可以直接參考充電功率，而加速過程我們需要根據(jù)車輛的最大加速度轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池所需要輸出的功率（如下式所示），其中最終的速度為Vf，加速時(shí)間為tf，Pmass為質(zhì)量為M的車輛提供加速度所需要的功率，Pdrag是克服空氣阻力所需要的功率，Proll是克服滾動(dòng)摩擦所需要的功率，Pgrade是克服重力所需要的功率。
我們假設(shè)電極是均勻的，因此電極單位面積的功率密度也是固定的，因此電池的功率密度可以簡(jiǎn)化為電池內(nèi)部電極層數(shù)n的函數(shù)。為了驗(yàn)證電池的功率放電性能是否滿足需求，我們?cè)O(shè)置了幾個(gè)截止條件，一個(gè)是最高允許溫度Tmax，一個(gè)是最低截止電壓Vmin和最低允許SoC，Zmin，如果在仿真的過程中電池所有的限制條件都沒有被觸發(fā)則表明動(dòng)力電池滿足汽車的動(dòng)力需求，如果有其中的一個(gè)截止條件被觸發(fā)，就說明動(dòng)力電池的功率性能不滿足要求，需要調(diào)節(jié)電池的電極層數(shù)n進(jìn)行優(yōu)化，直到電池的功率性能滿足要求，通過該模型的優(yōu)化我們就能夠找出能夠滿足汽車功率需求的最小電池電極層數(shù)n，由于模型中我們假設(shè)電池的外形尺寸固定，因此更少的極片數(shù)量也就意味著集流體（Al箔和Cu箔）所占的比重更小，從而將電池的能量密度最大化。
快速充電也是電動(dòng)汽車在使用過程中非常關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)，在這里作者采用了Choe等人提出的快充算法，只不過是將恒流充電改為了恒功率充電。充電過程中我們同樣關(guān)注幾個(gè)限制條件，一個(gè)是電池的最大溫度Tmax，電池的最高截止電壓Vmax，以及負(fù)極表面的Li濃度，一旦負(fù)極表面的Li濃度達(dá)到了飽和濃度，表明電池需要停止充電，如果在觸發(fā)上述的任何一個(gè)終止條件時(shí)，電池的SoC狀態(tài)高于我們的目標(biāo)SoC狀態(tài)，則意味著此時(shí)的電池內(nèi)極片的層數(shù)n是足夠的。
近日，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的IanD.Campbell（第一作者）和GregoryJ.Offer（通訊作者）等人通過建模的方式分析了如何在滿足混合動(dòng)力汽車對(duì)于倍率放電和快充的需求的前提下，實(shí)現(xiàn)單體電池能量密度的最大化，大大提高了混合動(dòng)力汽車動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)效率。
實(shí)驗(yàn)中采用的混合動(dòng)力汽車模型如下圖所示，其中包含：1）電池包；2）三相轉(zhuǎn)換器；3）永磁同步電機(jī)；4）力矩混合齒輪箱；5）驅(qū)動(dòng)力分配系統(tǒng)，電池所需要的電力來自于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電池的工作模式被設(shè)定為完全用電力驅(qū)動(dòng)并且不對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)充電，也就是說在這里我們假設(shè)混合動(dòng)力汽車的蓄電池是在最為惡劣的工況下進(jìn)行工作。這里不的不提的是作者在模型中采用了極柱散熱的方式，降低了電池內(nèi)部的溫度梯度，從而將電池的衰降速度降低了2/3，也就意味著使用極柱散熱的電池的壽命能夠提高三倍，這對(duì)需要進(jìn)行快速放電和充電的動(dòng)力電池而言尤為重要。
由于作者采用了極柱散熱的方式，因此在電池表面就不需要進(jìn)行散熱，因此可以合理的假設(shè)電池在直徑方向上不存在溫度梯度，因此我們就可以將電池厚度方向上可以轉(zhuǎn)化為1片極片的功率仿真，從而實(shí)現(xiàn)電池模型維度的壓縮，降低模型的復(fù)雜程度。
動(dòng)力電池功率性能要求較高的過程主要有兩個(gè)：1）加速過程；2）快速充電過程。充電過程我們可以直接參考充電功率，而加速過程我們需要根據(jù)車輛的最大加速度轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池所需要輸出的功率（如下式所示），其中最終的速度為Vf，加速時(shí)間為tf，Pmass為質(zhì)量為M的車輛提供加速度所需要的功率，Pdrag是克服空氣阻力所需要的功率，Proll是克服滾動(dòng)摩擦所需要的功率，Pgrade是克服重力所需要的功率。
我們假設(shè)電極是均勻的，因此電極單位面積的功率密度也是固定的，因此電池的功率密度可以簡(jiǎn)化為電池內(nèi)部電極層數(shù)n的函數(shù)。為了驗(yàn)證電池的功率放電性能是否滿足需求，我們?cè)O(shè)置了幾個(gè)截止條件，一個(gè)是最高允許溫度Tmax，一個(gè)是最低截止電壓Vmin和最低允許SoC，Zmin，如果在仿真的過程中電池所有的限制條件都沒有被觸發(fā)則表明動(dòng)力電池滿足汽車的動(dòng)力需求，如果有其中的一個(gè)截止條件被觸發(fā)，就說明動(dòng)力電池的功率性能不滿足要求，需要調(diào)節(jié)電池的電極層數(shù)n進(jìn)行優(yōu)化，直到電池的功率性能滿足要求，通過該模型的優(yōu)化我們就能夠找出能夠滿足汽車功率需求的最小電池電極層數(shù)n，由于模型中我們假設(shè)電池的外形尺寸固定，因此更少的極片數(shù)量也就意味著集流體（Al箔和Cu箔）所占的比重更小，從而將電池的能量密度最大化。
快速充電也是電動(dòng)汽車在使用過程中非常關(guān)注的一個(gè)點(diǎn)，在這里作者采用了Choe等人提出的快充算法，只不過是將恒流充電改為了恒功率充電。充電過程中我們同樣關(guān)注幾個(gè)限制條件，一個(gè)是電池的最大溫度Tmax，電池的最高截止電壓Vmax，以及負(fù)極表面的Li濃度，一旦負(fù)極表面的Li濃度達(dá)到了飽和濃度，表明電池需要停止充電，如果在觸發(fā)上述的任何一個(gè)終止條件時(shí)，電池的SoC狀態(tài)高于我們的目標(biāo)SoC狀態(tài)，則意味著此時(shí)的電池內(nèi)極片的層數(shù)n是足夠的。
