電動汽車用鋰離子動力電池的壽命試驗

林成濤,李 騰,田光宇,陳全世

(清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室,北京 100084)

電池的壽命有循環壽命和日歷壽命之分[1-2],其中應用最多的是循環壽命。電池的循環壽命受使用條件的影響,主要因素有工作負荷、工作溫度、放電深度、用荷電狀態(SOC)描述的工作區域(ΔSOC)和充電制度。除此之外,電池壽命周期所處的具體階段與電池循環次數、工作時間密切相關。

為了規范動力電池的壽命測試方法,各國和有關學術組織都頒布了基于標準車輛要求的相關標準與試驗方法[1-5]。不同種類電動汽車動力系統構型、車輛行駛工況和所處氣候條件的差異,導致在實際使用過程中,動力電池的工作環境有顯著差別;加上電池種類、容量等的不同,致使常規的電池壽命測試方法不能滿足電池壽命特性研究工作的需要[6]。

壽命不長是目前制約鋰離子動力電池廣泛應用的主要因素[7-8]。應用于混合動力大客車上的大容量鋰離子動力電池的模擬工況循環壽命特征,還沒有系統的研究成果。

近年來,我國對電動汽車用大容量鋰離子動力電池的研究取得了進步。如863項目的“清華燃料電池城市客車”與“北京理工大學電動公交大客車”課題,都采用了大容量鋰離子電池。大容量鋰離子電池組模擬工況循環壽命的研究,對相關產業的發展很重要。本文作者以混合動力客車為應用環境,研究了大容量鋰離子電池組的模擬工況循環壽命特性。

1 試驗工況設計

1.1 研究對象與設備

電動汽車最關注的是電池組,而不僅僅是單體電池的使用壽命。將兩組以LiMn2O4為正極材料的100 Ah鋰離子電池組(北京產,5只單體電池串聯)分別命名為電池組A和電池組B。在溫度控制箱內,用AV-900電池組試驗臺(美國產)的兩個通道分別對兩個電池組進行充放電,并采集電池組的電壓、電流和溫度等數據。

1.2 PHEV工作特點

公共交通是電動汽車最有可能率先實現廣泛應用的領域,插電式混合動力汽車(PHEV)是電動汽車的一個發展方向。典型PHEV電池組的工作模式見圖1。

圖1 典型PHEV的工作模式Fig.1 Working mode of typical plug-in hybrid electric vehicle(PHEV)

從圖1可知,行駛的完整工作過程由電量消耗模式、電量保持模式、常規充電模式和停車模式構成。

本研究以清華大學研制的燃料電池混合電動客車為背景,研究基于現有燃料電池混合電動客車平臺的插電式客車用大容量鋰離子電池組的循環壽命特性。圖2所示為插電式燃料電池混合電動客車的動力系統結構。

圖2 插電式燃料電池混合電動客車的動力系統結構Fig.2 Power train configuration of plug-in fuel cell hybrid electric bus

對應插電式燃料電池混合電動客車的系統構型與控制策略,在模擬工況循環壽命試驗過程中做如下假定:在電量消耗模式中,插電式燃料電池混合電動客車將DC/DC變換器關閉,燃料電池不工作,動力全部來自電池組;在電量保持模式中,電池組和燃料電池共同工作。

1.3 電池試驗工況設計

公交客車在道路行駛條件下,電池組的工作工況與實驗室中室溫恒流充放電有顯著的不同。用常規恒流充放電的工作循環得到的電池組壽命數據,高于實際車用電池組的壽命。完全按車用條件下電池組的工況試驗,將花費過長的時間,因此,要客觀描述車用條件下電池組的循環壽命,既要以公交客車行駛工況為輸入,又要結合試驗過程進行調整。

本研究所用公交客車行駛工況,是基于北京、上海等典型城市進行調查研究、解析和實證試驗得到的。以此工況為工作基礎,設計適合插電式客車用電池組的循環壽命試驗工況。工況設計過程中首先用插電式燃料電池混合電動客車的數學仿真模型,以公交客車行駛工況為輸入進行仿真,得到電池組的電流、電壓和功率的工作工況;再參考圖3插電式燃料電池混合電動客車靜止起步加速試驗過程中實際測量得到的電池組電流、電壓數據,調整原有試驗工況的功率水平,使之與客車靜止起步加速試驗過程的功率水平相當。在每個完整的工況循環過程,希望電池組的電量基本維持不變,因此在工況的結尾部分以1 C的電流進行電量均衡。

圖3 清華燃料電池混合動力客車加速試驗實測電池組數據Fig.3 Road accelerating test data of the batteries in Tsinghua fuel cell hybrid bus

最終的電池模擬工況壽命試驗循環見圖4,統計學特征參數見表1。

圖4 電池組壽命試驗循環工況示意圖Fig.4 Typical test cycle of batteries cycle life test

表1 電池組壽命試驗循環工況特征參數Table 1 Characteristic parameters of batteries cycle life test

電池組在這一模擬工況壽命試驗的定義下工作,既是利用電池組的儲能特性彌補插電式燃料電池混合電動客車的能量需求,也是延長燃料電池使用壽命的重要措施。首先,電池組以純電動方式放電,是利用電價便宜的優點,提高整車的經濟性;在燃料電池和電池組聯合工作時,保持電池組的電量平衡是為了讓客車長時間持久工作,不至于出現必須通過外接充電來補足電池組電量狀況的情況。工況試驗中進行電量調整的時間不到10 s、電流為1 C,是為了與常規充電過程的電流一致,同時提高試驗效率。

1.4 試驗過程描述

使用圖4的試驗工況進行電池組壽命試驗,研究在公交道路行駛條件下電池組循環壽命的一般變化規律以及溫度、SOC工作點對循環壽命的影響。

城市公交客車在工作日的平均日行駛時間約為12 h。單日壽命循環試驗的工作過程,假定公交客車循環執行由我國典型城市行駛工況定義的公交工況。單日循環壽命試驗與公交客車平均每天的行駛過程對應,具體過程見圖5。

圖5 單日壽命循環的試驗過程Fig.5 Test procedure of the cycle life test in a day

試驗循環用電流值來定義,電池組先后執行電量消耗、電量保持和常規充電模式。電量消耗模式以電池組恒流放電試驗模擬。電量保持模式循環執行圖5中的壽命循環工況,執行循環的數量為36次。常規充電為1 C恒流恒壓(單體電池4.2 V)。試驗工況是經過加速的試驗工況,根據車輛道路仿真的結果,完成單日壽命循環,車輛行駛約600 km。

為了分析SOC工作點對插電式燃料電池混合電動客車用電池組循環壽命的影響,壽命試驗在0.3和0.5兩處SOC工作點進行,進行試驗的兩個電池組分別標記為電池組A(0.3SOC)和電池組B(0.5SOC),SOC工作點的調整,通過改變電量消耗模式的恒流放電時間實現。在執行5次單日壽命循環后,進行C/3恒流放電,確認電池容量的變化;進行峰值功率[3]試驗,確認電池功率能力的變化。試驗的整個過程中,在電量消耗和電量保持模式控制電池箱的溫度為40℃,常規充電模式在室溫(約25℃)下進行。在測量電池組容量變化時,同時測量電池組庫侖效率和能量效率的變化過程,測試方法見文獻[2]。

相對于常規的壽命試驗過程,電池模擬工況壽命試驗是加速的壽命試驗過程,加速由提高試驗過程中電池充放電的平均功率水平和環境溫度實現。這樣的加速可能未全面反映電池壽命的影響因素,但對電動汽車的研究仍有價值。

2 結果與討論

2.1 試驗過程曲線

圖6為電池組A(0.3SOC)一次完整循環壽命試驗的電流電壓曲線,試驗過程中執行了36次壽命循環。

圖6 電池組A(0.3SOC)循環壽命試驗的電流、電壓曲線Fig.6 Current and voltage curves of cycle life test of batteries A(0.3SOC)

2.2 電池組容量的變化

試驗所得電池組的容量、能量試驗數據見表2。

表2 容量、能量試驗數據Table 2 Data of capacity and energy test

從表2可知,電池組的容量和能量都隨著循環工作次數的增加而減少,SOC工作點越低,衰減得越明顯。電池組容量、能量衰減的趨勢見圖7。

圖7 電池組容量、能量衰減的趨勢Fig.7 Capacity and energy fade trends of batteries

對表2、圖7的數據用一次曲線擬合,分別得到電池組A(0.3SOC)和電池組B(0.5SOC)的循環趨勢線,見式(1)、式(2),擬合優度分別為 0.949和0.897。

式(1)、(2)中,t代表循環次數。根據擬合的趨勢線,當電池的容量衰減為80%時,電池組A(0.3SOC)的循環次數約為 29次,對應的行駛里程約為17 400 km;電池組 B(0.5SOC)的循環次數約為 52次,對應的行駛里程約為31 200 km。

2.3 電池組效率的變化

圖8為在測量電池組容量時測得的庫侖效率和能量效率的變化過程。

圖8 電池組庫侖效率和能量效率的變化Fig.8 The change of Coulombic efficiency and energy efficiency of batteries

從圖8可知,電池組的庫侖效率和能量效率都有一個最佳工作區域。該區域不是在電池組最初的使用階段,而是在使用的前期。

2.4 電池組內阻的變化

電池組內阻的變化見圖9,內阻值是在電池組SOC為0.5時測得的。

圖9 電池組內阻的變化Fig.9 The change of internal resistance of batteries

從圖9可知,電池組放電內阻和充電內阻都隨著循環次數的增加而增大,趨勢近似為線性。在不同的SOC工作點進行電池壽命循環試驗,未明顯看出SOC工作點的不同帶來的電池組內阻變化規律的差異。

可初步認為,隨著循環次數的增加,以LiMn2O4為正極材料的鋰離子電池(包括單體電池和電池組)在不同SOC的內阻變化是同步的。基于試驗數據還有一個初步結論:通過檢測電池組內阻的變化,可粗略判斷電池壽命狀態的變化。

2.5 電池組功率的變化

基于試驗數據計算得到單體電池的峰值功率密度[3]見圖10。

圖10 電池峰值功率密度的變化Fig.10 The change of peak power density of battery

從圖10可知,單體電池的峰值功率密度隨著循環次數的增加而減小。峰值功率密度的變化規律與電池組內阻的變化規律有密切的關系,衰減趨勢近似呈線性變化。

3 結論

隨著電池循環次數的增加,以LiMn2O4為正極材料的鋰離子電池組的可用容量、可用能量、能量效率、庫侖效率和功率能力都顯著衰減,內阻顯著變大;大容量鋰離子電池的內阻隨循環次數的增加近似呈線性增加,功率能力近似呈線性衰減;大容量鋰離子電池所處的SOC工作點,對循環壽命影響顯著,SOC值越小,電池組的循環壽命越短;通過測量電池組內阻的變化,可粗略判斷電池組的壽命狀態,但準確地估計仍要運用基于大量試驗的壽命模型,且必須考慮SOC工作點的影響。

所研究的100 Ah鋰離子電池在高溫、高負荷的工作循環條件下,在0.3和0.5兩個SOC工作點的循環壽命對應的行駛里程分別約為17 400 km和31 200 km,表現出較好的壽命性能,但仍然無法達到車輛行駛100 000 km的要求。

[1]QC/T 743-2006,電動汽車用鋰離子蓄電池[S].

[2]DOE/ID-10479,USABC Electric Vehicle Battery Test Procedure Manual[S].

[3]DOE/ID-11069,FreedomCAR Battery Test Manual for Power-Assist Hybrid Electric Vehicles[S].

[4]JEVS D708 1999,Cycle life test procedure of sealed nickel-metal hydride batteries for electric vehicles[S].

[5]IEC 61982-3:2001,Secondary batteries for the propulsion of electric road vehicle-Part3:Performance and life testing(traffic compatible,urban use vehicles)[S].

[7]OU Xiu-qin(歐秀芹),LIANG Guang-chuan(梁廣川).氣體擴散層對空氣電極壽命的影響[J].Battery Bimonthly(電池),2006,36(4):274-275.

[8]HE Hong-wen(何洪文),SUN Feng-chun(孫逢春),ZHANG Chen-guang(張晨光),et al.鋰離子動力電池充放電特性的試驗研究[J].Transactions of Beijing Institute of Technology[北京理工大學學報(自然科學版)],2002,(5):578-581.