動力電池預熱，最適合加熱到什么溫度？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-30 22:04
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如果給自家動力電池系統(tǒng)增加預熱功能，我們需要設定一個小目標，電池預熱到什么溫度最合適？可能會有這樣幾種說法：電池放電能力最好的溫度；最適合充電的溫度；壽命最長的溫度……一句萬能評語，這些都對，但是都不全面。今天看到一份資料，講述了一個說出來就很有道理的加熱截止溫度確定方法。一句話概括的話：以電池系統(tǒng)全生命周期總體成本最低為目標，綜合考慮預熱溫度。在這個思路下，不同類型的電池預熱溫度可能不同；相同電池種類，只要循環(huán)壽命不同、價格不同、使用環(huán)境溫度不同、典型工況不同，則最合理的預熱溫度都可能不同。
依據(jù)文獻中的思路，在電池電路模型、發(fā)熱模型和衰退模型中考慮的考慮因素不同，對最終確定預熱截止溫度會產(chǎn)生不同程度的影響。在成本最低目標之下，確定加熱溫度，相當于求取總體運營成本這個函數(shù)取得極小值時，預熱截止溫度這個變量應該取什么值。總體函數(shù)，需要基于電池基本原理模型來討論，于是，先確定電池模型。文獻以磷酸鐵鋰電池應用于公交車的情形為基礎(chǔ)展開討論。
1 電池等效電路模型
上面的表格中列舉了電池的基本參數(shù)。文獻采用最簡單的電池電路Rint模型，如下圖所示。在電池電模型中表征了六個基本參數(shù)：1）SOC； 2）開路電壓（OCV）；3）R - 等效電阻；4）η-能源效率；5）電流; 6）電池端電壓。這些參數(shù)是基于上面表格中的電池參數(shù)，通過計算或?qū)嶒灚@得的。
1）SOC，SOC 通過安時積分進行評估；
2）通過查詢SOC-OCV表獲得開路電壓U oc，并通過電池循環(huán)測試儀，恒溫室獲得SOC-OCV表。
3）R 與SOC和溫度相關(guān)的。它通過使用混合脈沖功率的實驗來測量。測量結(jié)果形成下面曲線圖形。
4 ） η 是另一個受溫度影響很大的參數(shù)。η 區(qū)分為放電效率 η DCH 和充電效率 η CH兩個參數(shù)，如下面兩幅圖所示。
放電效率曲線
充電效率曲線
5）模型中電流值，由公交車實際運行工況的需求功率推算而來。
6）電池端電壓則由電池開路電壓減去內(nèi)阻占壓計算得到。
2 電池發(fā)熱模型
討論預熱問題，而電池自身在充放電過程中都會發(fā)熱。在高溫天氣，電池組長期運行，散熱設計不得當還可能出現(xiàn)電池過熱現(xiàn)象。如果從電池全部運行過程考慮預熱參數(shù)，則電池的發(fā)熱模型對結(jié)論的影響非常直接。
根據(jù)一種認可度較高的電化學電池模型理論，認為電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量分為四個部分：反應熱（Q r），副反應熱（Q s），極化反應熱（Q p）和焦耳熱（Q j）。事實上，Q s足夠小，它可以忽略不計。此外，Q p和Q j可以由等效電阻R 產(chǎn)生的熱量來代替。
鋰離子電池工作發(fā)熱模型簡化后得到： Q t = Q r + Q p + Q s + Q j = Q r + I^2 Rt
其中， Q t 是電池產(chǎn)生的總熱量； R = R z + R p ， R z 是歐姆電阻， R p 是極化電阻； t是充電或放電的持續(xù)時間。至于 Q r ，充電過程中吸熱，是一個負值；放電過程中放熱，是正值。其具體數(shù)值，可以通過放電發(fā)熱減去充電發(fā)熱，再除以2去估計。有研究顯示，Q r 僅占總熱量的6％-7％產(chǎn)生。對于電動汽車上使用的大型電池，發(fā)熱主要由發(fā)熱量控制焦耳熱。
電池溫度的變化由獲得的熱量和自身的比熱容決定。獲得的熱量包含電池接受的加熱熱量、自身工作發(fā)熱和過程中散掉的熱量三個部分。具體公式如下：
其中，mbat是電池質(zhì)量; C p是電池的比熱容。
電池自身的比熱容，可以通過上述公式中對各個參數(shù)的測量得出，即溫度變化和熱量可以通過實驗獲得被試樣品的溫升和吸熱；也可以計算組成電池的每個成分的質(zhì)量加權(quán)比熱的平均值，包含隔膜、電解質(zhì)、正負極集流體等。文獻中給出的電池比熱容854 J /（kg K）。
3電池衰退模型
電池老化可以分為循環(huán)老化和日歷老化。這兩者都可能導致容量減少。文獻研究指針對循環(huán)老化，而不考慮日歷老化。因為電池模型用于研究車輛操作期間的優(yōu)化，這意味著電池在這個過程中始終處于工作狀態(tài)。電池循環(huán)老化，考慮不同循環(huán)電流和不同環(huán)境溫度，衰退比例經(jīng)驗擬合公式如下：
其中，i表示經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)，Crate是充放電倍率，T是絕對溫度，Ah為電池總體安時數(shù)，其值等于： (循環(huán)次數(shù)) × (DOD) × (可用總?cè)萘?。ΔAh和ΔC losse％代表每個檢測時刻比前一個檢測時刻容量的衰減值和衰減比例，ΔAh可以用安時積分計算獲得?？傮w的容量損失率由全部的ΔC losse％相加得到。
將電池的電路模型，發(fā)熱模型和衰退模型綜合考慮，就構(gòu)成了研究電池全生命周期內(nèi)運營成本全部因素的運營成本電池模型，其模型框圖如下所示：
4 車輛運營成本評估
對全生命周期成本的考量，主要包含三個部分：預熱耗費電量，電池可用電量和電池壽命衰減，電池可用電量又包含最終用于驅(qū)動車輛的電量和效率損失。整個運營成本的劃分，可用用下面的樹狀圖表示。
車輛用電成本
用電成分的三個部分，預熱用電和驅(qū)動用電和損失電量。預熱用電與環(huán)境溫度和預熱溫度和預熱效率有關(guān)；損失電量主要與充電效率，充電電流，充電電壓和充電時間有關(guān)；驅(qū)動電量則與車輛的需求功率有關(guān)，這個功率可以利用典型工況來確定。由于是從成本考慮，那么運行中出現(xiàn)的制動能量回收，則可以抵消一部分驅(qū)動電量。
這里插播一句，文獻中考慮的運營用電的三個部分，預熱用電電力是從外部來，則全部的插座輸出的電量都是預熱電量。而損失電量和驅(qū)動電量的劃分，是把成功充入電池的電量全部作為驅(qū)動電量，驅(qū)動中真實驅(qū)動車子運行的部分和放電損失部分全部計入驅(qū)動電量。因而損失電量只計量充電損失即可。
分別確定了上述三部分用電，則運營用電成本直接將三個部分加在一起乘以電價即可。計算的周期可以是一個完整的典型工況，或者一個電池充放循環(huán)。
電池衰退成本
電池的總成本很容易計算，用電量乘以單價。根據(jù)標準的規(guī)定，當電池容量衰減至初始容量的80%時，壽命終結(jié)。那么每個循環(huán)的電池衰退成本就等于每個循環(huán)帶來的衰退率除以20%，乘以電池總成本。
車輛用電成本+電池衰退成本=車輛運營成本
5 討論預熱溫度
先說結(jié)果，文獻選擇了一個公交車在本地的常見工況進行仿真，工況曲線如下。求解在這個工況下，環(huán)境溫度取-10℃，設定一個加熱最高報警溫度20℃，行駛里程為20公里，SOC充電范圍為20％80％，要求車輛運營車本函數(shù)的最小值。假設每度電0.1美元的條件下，求得的函數(shù)最小值為88.74美元。能夠取得最小值的預熱溫度為2℃。后面逐條分析預熱截止溫度的硬影響。
預熱溫度對車輛總消耗電量的影響
車輛消耗總電量隨溫度變化的曲線如下圖所示。橫軸為預熱截止溫度，縱軸為車輛運營直至電池報廢需要消耗的總電量?？梢钥吹?，隨著預熱溫度的升高，消耗的電量一直在上升。這說明，預熱消耗的電量總是大于預熱可以節(jié)約的電量，只要增加預熱過程，總體上消耗的電量都是在增加的，預熱溫度越高，則消耗的電量越高。
預熱溫度對電池衰退率的影響
下圖中橫軸為電池預熱溫度，縱軸為電池衰退率，可以看到，電池衰退率先隨著預熱溫度的上升而降低，到達一個最低點后，又開始上升，最低點出現(xiàn)在2℃左右。也就是說，預熱溫度并非越高越好。
預熱溫度對總體車輛運營成本的影響
下圖中橫軸為電池預熱溫度，縱軸為總體車輛運營成本，可以看到，總體車輛運營成本先隨著預熱溫度的上升而降低，到達一個最低點后，又開始上升，最低點也出現(xiàn)在2℃左右，其趨勢與電池衰退率非常近似?？梢哉f，電池衰退成本是影響總體運營成本的主要因素。
考察加入環(huán)境溫度和里程因素后最好預熱溫度
按照類似的思路，繼續(xù)討論不同環(huán)境溫度下，不同形式里程下，追求最小車輛總體運營成本，需要什么樣的預熱溫度，如下圖所示?？梢钥吹江h(huán)境溫度越低，需要的預熱溫度越高；行駛里程越短，需要的預熱溫度越高；在合理的評估范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對預熱溫度最佳值的影響更顯著。最后，經(jīng)過試驗驗證，仿真獲得的結(jié)論與實際趨勢一致。
動力電池預熱，不同預熱溫度帶來不同衰退率；環(huán)境溫度越低，需要的預熱溫度越高；行駛里程越短，需要的預熱溫度越高；在合理的評估范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對預熱溫度最佳值的影響更顯著。
在常見的預熱系統(tǒng)設計或者探討中，常見的處理預熱溫度的做法就是拍腦袋“定一個”。我們理所當然的認為，就加熱到電池最適應的工作溫度就對了，而很少會思考，一個合理的預熱溫度，會對應用結(jié)果帶來如此顯著的影響。不過，從文獻的分析過程中，我們也能看到，對于具有指定銷售地區(qū)，運行工況明確的車輛，那么防止電池壽命衰退確實就是預熱的最主要影響因素，這點對于公交車來說是很明確的。對于乘用車，工況比較復雜，無法具體考量，能夠加入優(yōu)化系統(tǒng)的除了壽命就是行駛區(qū)域這個因素。
