電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池在不同工況下有怎樣的特性？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-10-03 12:44
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1 試驗(yàn)部分
1.1 試驗(yàn)對(duì)象與方法
本文以一款國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)汽車(chē)為試驗(yàn)對(duì)象，鋰離子動(dòng)力電池組容量為180Ah，額定電壓為345V，總儲(chǔ)電量為34.5kW·h，最大續(xù)航里程可達(dá)150km。鋰離子動(dòng)力電池運(yùn)行的特征數(shù)據(jù)的采集，不僅可以通過(guò)試驗(yàn)室中對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行性能測(cè)試，還可以采用CAN卡總線以及管理平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與采集行車(chē)與電池工況的數(shù)據(jù)，采集示意圖如圖1。
本文試驗(yàn)主要基于實(shí)際工況，采用CAN卡以及運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集電動(dòng)汽車(chē)剩余電量、工作總電壓、工作總電流以及最高/最低單體電壓數(shù)據(jù)。利用采集的數(shù)據(jù)判斷電池的工作狀態(tài)，繪制相應(yīng)工作曲線，分析電池性能狀態(tài)，掌握電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰離子電池的特性。
1.2 試驗(yàn)環(huán)境與工況
本文在市區(qū)不同道路工況下進(jìn)行試驗(yàn)，分別為長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車(chē)工況。
長(zhǎng)距離工況試驗(yàn)主要在市區(qū)車(chē)流量較小的平坦路段，以勻速進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)距離行駛。市區(qū)山坡工況試驗(yàn)主要在市區(qū)山坡進(jìn)行連續(xù)爬坡、下坡測(cè)試，山坡的最高海拔高度為74m左右,最高坡度為6.8%。堵車(chē)工況試驗(yàn)主要選擇市區(qū)上下班高峰期的時(shí)段，在市區(qū)的主要干道進(jìn)行。
試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度范圍為35℃，濕度范圍為30%～90%，試驗(yàn)時(shí)間范圍為45～90min。試驗(yàn)人員按表1的工況駕駛車(chē)輛進(jìn)行試驗(yàn)。
2 結(jié)果與討論
采用CAN卡與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集三種不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池的特性進(jìn)行分析。
2.1 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池SOC的影響
電池組以恒流進(jìn)行連續(xù)放電，其工作電壓會(huì)隨著放電而降低，通常電池組在放電末期都有電壓顯著下降的現(xiàn)象，而且電池模塊的過(guò)放電會(huì)引起模塊性能、不可逆的衰退，從而引起整個(gè)電池組性能和使用壽命的下降。
為了保護(hù)電池，廠家對(duì)同批次的單體電池基本都設(shè)定一個(gè)合理的充放電終止電壓。但在實(shí)際的使用過(guò)程中電池組放電電流倍率范圍寬，電壓變化大，所以在動(dòng)力電池使用過(guò)程中，什么時(shí)候停止放電要根據(jù)電池的剩余容量、一致性和充放電終止電壓等參數(shù)綜合分析。
電池荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）描述了電池的剩余電量，是電池使用過(guò)程中的重要參數(shù)。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來(lái)表示，SOC的取值為：0~100%。動(dòng)力電池的充放電過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過(guò)程，SOC受到動(dòng)力電池的基本特征參數(shù)和動(dòng)力電池使用特性因素的影響。
本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車(chē)行車(chē)過(guò)程中采集的工作電壓以及SOC的數(shù)據(jù)，考察不同工況下鋰離子動(dòng)力電池工作電壓及其SOC的影響，為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(如充放電終止電壓等)提供可靠依據(jù)。
圖2-4分別是試驗(yàn)得到的長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車(chē)工況下工作電壓與SOC的變化曲線。由圖中可以看出，不同工況的影響下，動(dòng)力電池的工作電壓和SOC的變化趨勢(shì)不同。
在長(zhǎng)距離工況下，電動(dòng)汽車(chē)以勻速在車(chē)流量較小的路段行駛，此時(shí)工作電壓波動(dòng)幅度較小，SOC下降較平緩；山坡行駛工況以及堵車(chē)工況下，多工作于加減速或剎車(chē)制動(dòng)，此時(shí)工作電壓波動(dòng)幅度較大，且當(dāng)SOC低于70%后，動(dòng)力電池SOC有顯著下降趨勢(shì)。
因此綜上可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車(chē)工況對(duì)動(dòng)力電池SOC的影響較長(zhǎng)距離工況的大。此外，為延長(zhǎng)電池的使用壽命，設(shè)置更具合理的充放電終止電壓很有必要。
2.2 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組端電壓及其一致性的影響
盡管可以將電池組整體看作是單個(gè)高壓電池，但仍需獨(dú)立考慮每個(gè)單體電池的情況。這是由于，單體電池若是與其他電池發(fā)生偏差，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的充放電周期后，其狀態(tài)將會(huì)與其他電池產(chǎn)生嚴(yán)重偏離，從而導(dǎo)致電池組的故障與損壞。
因此，必須對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)控，以確定其充放電狀態(tài)，保證電池組安全有效的運(yùn)行。本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車(chē)行車(chē)過(guò)程中采集的工作電壓以及單體電壓的數(shù)據(jù)，考察不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池單體電壓和工作電壓的影響。
圖5-7分別是試驗(yàn)得到的長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車(chē)工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線。
由圖中可以看出，四種不同工況下的電池工作電壓變化大體一致，工作電壓的變化范圍在340-360V之間。而對(duì)于單體電池應(yīng)注意的是，當(dāng)單體電壓低于2.5V時(shí)，單體電壓易繼續(xù)下降損壞電池。因此要通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電壓，對(duì)于低于2.5V的單體電池及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。
由圖中可以看出，在四種工況運(yùn)行過(guò)程中，單體電壓的變化范圍在3.2-3.4V之間，各單體電池的電壓差小于0.2V，電壓浮動(dòng)較小，并且各單體電壓均大于2.5V。另外，對(duì)比各圖中的兩個(gè)曲線，可以看出，單體電池電壓的變化趨勢(shì)和工作電壓的變化總體一致。
有學(xué)者將電池組單體相對(duì)電壓差(定義為最高電壓和最低電壓之差和單體標(biāo)稱(chēng)電壓的百分比)作為衡量其一致性程度的指標(biāo)，進(jìn)一步觀察圖5-7可知，長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況、高峰期堵車(chē)工況下電池組的單體相對(duì)電壓差分別為2.9%，3.8%，3.5%，即市區(qū)山坡工況、高峰期堵車(chē)工況對(duì)電池組單體電壓(一致性)的影響較長(zhǎng)距離工況的大。為避免電池組的故障與損壞，對(duì)單體電池的電壓進(jìn)行監(jiān)管非常重要。
2.3 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池工作電流的影響
由于電池存在一定的內(nèi)阻，當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)較大的電流時(shí)，電池溫度會(huì)持續(xù)升高，如果不及時(shí)進(jìn)行熱管理，會(huì)嚴(yán)重影響電池的穩(wěn)定性和使用壽命。
此外，Li+在正、負(fù)極的脫嵌能力有限，與之相對(duì)應(yīng)的是鋰離子電池最大允許充放電電流，而電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致極化電壓升高，電池提到達(dá)到截止電壓，影響電池的可用容量，如果電池長(zhǎng)時(shí)間處在電流過(guò)大狀態(tài)還會(huì)導(dǎo)致 Li+的沉積，帶來(lái)安全隱患，因此需要在電池使用過(guò)程中，控制充放電電流在合理范圍內(nèi)。
本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車(chē)行車(chē)過(guò)程中采集的工作電流的數(shù)據(jù)，考察不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池工作電流的影響。
圖8-10是不同工況下工作電壓與工作電流的變化曲線。電流為正值時(shí)，動(dòng)力電池放電；當(dāng)電流為負(fù)值時(shí)，動(dòng)力電池充電。從圖中可以看出，工作電流的變化與工作電壓有關(guān)，當(dāng)工作電壓大時(shí)，工作電流低；工作電壓小時(shí)，工作電流大。
此外，堵車(chē)工況下的工作電流零值與負(fù)值的比例較大，這是由于行車(chē)過(guò)程中的剎車(chē)制動(dòng)回收能量所致。山坡工況下的工作電流值較長(zhǎng)時(shí)間處在較高的水平上，這是由于此時(shí)試驗(yàn)車(chē)工作于加速或爬坡的工況。
而長(zhǎng)距離工況下，由于行駛于市區(qū)車(chē)流量較小的平坦路段，工作電流正負(fù)值的變化較為均衡。綜上可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車(chē)工況對(duì)動(dòng)力電池工作電流的影響較長(zhǎng)距離工況的大。
2.4 不同工況試驗(yàn)研究的改進(jìn)
為了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的性能進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)以及完成電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等應(yīng)用，建立電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)模型是必不可少的環(huán)節(jié)。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)建模與仿真研究是通過(guò)電池測(cè)試和積累動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行特性數(shù)據(jù)，整合關(guān)聯(lián)因素而建立的。
動(dòng)力電池特性參數(shù)模型可描述整車(chē)工況與電池工作特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在特定的工況下對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)行特性進(jìn)行仿真，且含有運(yùn)用模型分析動(dòng)力電池特性參數(shù)變化規(guī)律的功能，評(píng)價(jià)電池的性能指標(biāo)。
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