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不同工況下,電動汽車鋰離子動力電池有怎樣的特性?

2020-10-14

本文以國內某公司電動汽車的鋰離子電池組為研究對象,以電池組的單體電池電壓、工作電流和工作電壓等特性為研究內容,考察不同環境條件、不同使用工況下動力電池特性參數的變化特性,采用CAN卡總線以及運營管理平臺采集行車數據,研究分析動力電池主要特性參數,分析在不同環境條件、不同使用工況下動力蓄電池特性參數變化影響程度,為今后動力電池建模仿真、電池管理系統設計等應用提供了支撐。





一、試驗部分




1.1 試驗對象與方法


本文以一款國產純電動汽車為試驗對象,鋰離子動力電池組容量為180Ah,額定電壓為345V,總儲電量為34.5kW·h,最大續航里程可達150km。


鋰離子動力電池運行的特征數據的采集,不僅可以通過試驗室中對鋰離子動力電池進行性能測試,還可以采用CAN卡總線以及管理平臺聯網監控與采集行車與電池工況的數據,采集示意圖如圖1。


圖1 電池的特征數據采集示意圖 


本文試驗主要基于實際工況,采用CAN卡以及運營管理平臺采集電動汽車剩余電量、工作總電壓、工作總電流以及最高/最低單體電壓數據。利用采集的數據判斷電池的工作狀態,繪制相應工作曲線,分析電池性能狀態,掌握電動汽車動力鋰離子電池的特性。


1.2 試驗環境與工況


本文在市區不同道路工況下進行試驗,分別為長距離工況、市區山坡工況以及高峰期堵車工況。

長距離工況試驗主要在市區車流量較小的平坦路段,以勻速進行連續長距離行駛。市區山坡工況試驗主要在市區山坡進行連續爬坡、下坡測試,山坡的最高海拔高度為74m左右,最高坡度為6.8%。堵車工況試驗主要選擇市區上下班高峰期的時段,在市區的主要干道進行。  


試驗時,環境溫度范圍為35℃,濕度范圍為30%~90%,試驗時間范圍為45~90min。試驗人員按表1的工況駕駛車輛進行試驗。


表1 試驗工況
       



二、結果與討論




采用CAN卡與運營管理平臺采集三種不同工況下的實驗數據,對電動汽車鋰離子動力電池的特性進行分析。


2.1 不同工況對鋰離子動力電池SOC的影響


電池組以恒流進行連續放電,其工作電壓會隨著放電而降低,通常電池組在放電末期都有電壓顯著下降的現象,而且電池模塊的過放電會引起模塊性能、不可逆的衰退,從而引起整個電池組性能和使用壽命的下降。 

為了保護電池,廠家對同批次的單體電池基本都設定一個合理的充放電終止電壓。但在實際的使用過程中電池組放電電流倍率范圍寬,電壓變化大,所以在動力電池使用過程中,什么時候停止放電要根據電池的剩余容量、一致性和充放電終止電壓等參數綜合分析。  電池荷電狀態(State of Charge,SOC)描述了電池的剩余電量,是電池使用過程中的重要參數。

荷電狀態值是個相對量,一般用百分比的方式來表示,SOC的取值為:0~100%。動力電池的充放電過程是個復雜的電化學變化過程,SOC受到動力電池的基本特征參數和動力電池使用特性因素的影響。  


本試驗根據試驗車行車過程中采集的工作電壓以及SOC的數據,考察不同工況下鋰離子動力電池工作電壓及其SOC的影響,為電池管理系統的設計(如充放電終止電壓等)提供可靠依據。圖2-4分別是試驗得到的長距離工況、市區山坡工況以及高峰期堵車工況下工作電壓與SOC的變化曲線。由圖中可以看出,不同工況的影響下,動力電池的工作電壓和SOC的變化趨勢不同。


圖2 長距離工況下工作電壓與SOC的變化 


圖3 山坡工況下工作電壓與SOC的變化 


圖4 堵車工況下工作電壓與SOC的變化    


在長距離工況下,電動汽車以勻速在車流量較小的路段行駛,此時工作電壓波動幅度較小,SOC下降較平緩;山坡行駛工況以及堵車工況下,多工作于加減速或剎車制動,此時工作電壓波動幅度較大,且當SOC低于70%后,動力電池SOC有顯著下降趨勢。  因此綜上可知,市區山坡工況、高峰期堵車工況對動力電池SOC的影響較長距離工況的大。

此外,為延長電池的使用壽命,設置更具合理的充放電終止電壓很有必要。 

2.2 不同工況對鋰離子動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高壓電池,但仍需獨立考慮每個單體電池的情況。這是由于,單體電池若是與其他電池發生偏差,經過長期的充放電周期后,其狀態將會與其他電池產生嚴重偏離,從而導致電池組的故障與損壞。 


因此,必須對單體電池進行監控,以確定其充放電狀態,保證電池組安全有效的運行。本試驗根據試驗車行車過程中采集的工作電壓以及單體電壓的數據,考察不同工況對鋰離子動力電池單體電壓和工作電壓的影響。  圖5-7分別是試驗得到的長距離工況、市區山坡工況以及高峰期堵車工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線。


圖5 長距離工況下電壓與單體電壓變化 


圖6 山坡工況下電壓與單體電壓的變化 


圖7 堵車工況下電壓與單體電壓的變化  


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。


而對于單體電池應注意的是,當單體電壓低于2.5V時,單體電壓易繼續下降損壞電池。因此要通過CAN總線實時監控單體電壓,對于低于2.5V的單體電池及時進行調整或更換。 

由圖中可以看出,在四種工況運行過程中,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,電壓浮動較小,并且各單體電壓均大于2.5V。另外,對比各圖中的兩個曲線,可以看出,單體電池電壓的變化趨勢和工作電壓的變化總體一致。  


有學者將電池組單體相對電壓差(定義為最高電壓和最低電壓之差和單體標稱電壓的百分比)作為衡量其一致性程度的指標,進一步觀察圖5-7可知,長距離工況、市區山坡工況、高峰期堵車工況下電池組的單體相對電壓差分別為2.9%,3.8%,3.5%,即市區山坡工況、高峰期堵車工況對電池組單體電壓(一致性)的影響較長距離工況的大。為避免電池組的故障與損壞,對單體電池的電壓進行監管非常重要。 

2.3 不同工況對鋰離子動力電池工作電流的影響


由于電池存在一定的內阻,當電池長時間流過較大的電流時,電池溫度會持續升高,如果不及時進行熱管理,會嚴重影響電池的穩定性和使用壽命。  


此外,Li+在正、負極的脫嵌能力有限,與之相對應的是鋰離子電池最大允許充放電電流,而電流過大會導致極化電壓升高,電池提到達到截止電壓,影響電池的可用容量,如果電池長時間處在電流過大狀態還會導致 Li+的沉積,帶來安全隱患,因此需要在電池使用過程中,控制充放電電流在合理范圍內。  


本試驗根據試驗車行車過程中采集的工作電流的數據,考察不同工況對鋰離子動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,動力電池放電;當電流為負值時,動力電池充電。從圖中可以看出,工作電流的變化與工作電壓有關,當工作電壓大時,工作電流低;工作電壓小時,工作電流大。


圖8 長距離工況下電壓與電流的變化 


圖9 山坡工況下電壓與電流的變化 


圖10 堵車下工作電壓與工作電流變化  


此外,堵車工況下的工作電流零值與負值的比例較大,這是由于行車過程中的剎車制動回收能量所致。山坡工況下的工作電流值較長時間處在較高的水平上,這是由于此時試驗車工作于加速或爬坡的工況。  而長距離工況下,由于行駛于市區車流量較小的平坦路段,工作電流正負值的變化較為均衡。

綜上可知,市區山坡工況、高峰期堵車工況對動力電池工作電流的影響較長距離工況的大。   2.4 不同工況試驗研究的改進為了對電動汽車動力電池的性能進行合理的評價以及完成電池管理系統設計等應用,建立電動汽車動力電池特性參數數據模型是必不可少的環節。電動汽車動力電池特性參數數據建模與仿真研究是通過電池測試和積累動力電池實際運行特性數據,整合關聯因素而建立的。 

動力電池特性參數模型可描述整車工況與電池工作特性之間的數學關系,并在特定的工況下對動力電池運行特性進行仿真,且含有運用模型分析動力電池特性參數變化規律的功能,評價電池的性能指標。  本文主要研究分析動力蓄電池主要特性參數,分析在不同環境條件、不同使用工況下動力電池特性參數變化影響程度。因此,為了全面描述動力電池工作的特性并建立電動汽車動力電池特性參數數據模型,在試驗室中對動力電池進行性能測試十分必要??梢酝ㄟ^實驗室的試驗研究動力電池工作特性,包括基本充放電特性以及不同倍率、不同溫度條件下的充放電特性等,從而完善建模數據。 




三、結論



本文以國內某公司電動汽車的鋰離子電池組為研究對象,通過選取三種常見工況,即長距離工況、市區山坡工況、高峰期堵車工況,并在這三種不同工況下對鋰離子動力電池組進行試驗,研究分析不同工況對動力電池組的SOC、端電壓及其一致性和工作電流的影響,結果表明: 


 1.基于國內城市的實際工況,對電動汽車動力電池的特性進行研究分析,相較于在國外的典型行駛工況下所得的分析結果,具有較強的代表性。 

2.在長距離工況下,工作電壓波動幅度較小,SOC下降緩慢;在山坡行駛工況以及堵車工況下,工作電壓波動幅度較大,SOC下降迅速。SOC是防止動力電池過充和過放的主要依據,因此,需要對電池管理系統進行合理的設計,從而延長電池的使用壽命。 

3.不同工況下,單體電池電壓的變化趨勢和工作電壓的變化總體一致。同時單體電池電壓的電壓差較小,說明電池在三種不同工況下運行性能良好。單體電池若是長期與其他電池發生偏差,將導致電池組的故障與損壞,并且單體電壓低于2.5V的單體電池衰減迅速,因此為防止對電池造成不可逆性的傷害,可以通過CAN總線的實時監控,對于低于2.5V的單體電池及時進行調整或更換。 

 4.不同工況下,電池的工作電流隨車輛運行情況的不同變化較大。為防止工作電流的過大或過小給蓄電池帶來損害,就必須通過CAN總線以及管理平臺對工作電流進行及時的監控。  5.綜合可知,市區山坡工況、高峰期堵車工況對動力電池組的SOC、端電壓及其一致性以及工作電流的影響都較長距離工況的大。這是由于長距離工況下,行駛速度規律,需求基本平穩,因此對于動力電池組的影響較小。反之,則影響較大。 

6.為建立更加全面的電動汽車動力電池特性參數數據模型,不僅可通過CAN卡與運營管理平臺車聯網積累動力電池運行特征數據,還要通過電池試驗室對動力電池進行性能測試。  本文的研究積累了運行特征數據,對實際運行中不同使用工況下動力電池特性參數的變化特性有了更深的了解,并對試驗研究的進行了相應的改進,為今后動力電池建模仿真、電池管理系統設計等應用提供了支撐。 

參考:《電氣技術》,標題為“不同工況下的電動汽車鋰離子動力電池特性研究”,作者為徐煌、王武等。



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