電動汽車動力電池檢測與試驗方案的研究

2015-05-23 09:29:02郭曉君

電氣技術 2015年1期

徐煌王武郭曉君

（1. 福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350108； 2. 福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007）

在全球能源危機與環境污染日益加重的今天，電動汽車已成為未來汽車工業發展方向之一。電動汽車作為一種綠色交通工具，具有“零排放”的優點，是公認的一種節約能源和改善環境的有效途徑。電動汽車作為新興戰略產業之一，是國家新能源發展戰略的重要組成部分[1]。

進入21 世紀以來，電動汽車在經濟性和汽車性能方面取得了很大的進步，車輛的需求也在日益壯大。目前，歐美、日本等發達國家和地區已經圍繞電動汽車的關鍵技術和示范運行進行大量研究和推廣。近10年來，我國電動汽車技術也取得了巨大的進步。但是，動力電池依舊是電動汽車發展的瓶頸。在實際應用中，動力電池組直接影響著電動汽車的多項性能。因此，全面了解動力電池的特性，對于電動汽車的發展及應用是非常重要的。

本文將從實驗室動力電池的檢測以及在實際運行工況下動力電池的性能狀態，對動力電池特性的試驗現狀做一個綜合性的分析。

1 動力電池實驗室檢測

近年來，由于鋰離子動力電池壽命長，安全性能好，成本低等優點，正越來越多地應用在電動汽車上，成為電動汽車的理想動力源。我國也已將在電動車輛和混合動力車輛上使用鋰離子動力電池列入國家高技術研究發展計劃和國家“十五”計劃。因此本文主要針對鋰離子動力電池進行檢測與試驗。

在實驗室中，采用恒流恒壓充電法以及恒流放電法對鋰離子動力電池進行充放電試驗。目前廣泛使用的是額定電壓為3.7V 的鋰離子電池。文獻[4]提出鋰離子電池充滿電時的終止充電電壓與電池的陽極材料有關，石墨的陽極材料為4.2V，焦炭的陽極材料為4.1V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.5～2.75V，電池終止充電電壓和終止放電電壓設定值直接關系到電池的容量，如果把終止充電電壓設定的比較高，終止放電電壓設定的比較低，電池的實際容量會比標稱容量要大，電動汽車的實際續航里程也會較長，但是長期這樣做會影響到鋰離子電池的使用壽命，同時對電池安全性也有一定影響。

本文采用的鋰離子電池，額定電壓為3.7V，額定容量為100A·h，終止充電電壓為4.2V，終止放電電壓為2.75V。

1.1 鋰離子動力電池基本充放電特性

在恒溫下，對額定容量為100A·h 的鋰離子電池，以0.2C 的倍率進行充放電試驗[2,5-6]。鋰離子電池基本充放電曲線如圖1所示。圖中的上半部分為鋰離子電池充放電的電壓曲線，下半部分為鋰離子電池充放電的電流曲線。

鋰離子電池充電從安全、可靠及兼顧充電效率等方面考慮，通常采用兩段式充電方法，恒流充電和恒壓充電。從電動汽車實際應用的角度，恒流時間越長，充電時間越短，更有利于應用。

試驗時，首先采用0.2C 的倍率對鋰離子電池進行恒流充電。此時，鋰離子電池的電壓變化如圖1中的AB 段所示。可以看出，當以恒定20A 的電流對鋰離子電池進行充電時，鋰離子電池兩端的電壓在不斷上升，當上升至B 點，即到達終止充電電壓4.2V時，恒流充電結束。隨后，開始轉為采用恒壓充電法對鋰離子電池繼續充電。此時鋰離子電池的電流變化如圖1中的HI 段所示。可以看出，恒壓充電電流會隨著充電的進行而不斷下降。待充電電流降到恒流充電電流的0.1 倍,即到達截止電流2A時，結束充電。圖1中的CD 段為充電末期的靜置階段。靜置是為了降低充電末期的極化。

靜置后，以0.2C 的倍率對鋰離子電池進行恒流放電，恒流放電階段的電壓變化曲線如圖1中DF段所示。從圖中可以看出，隨著放電的進行，鋰離子電池兩端的電壓不斷的下降。在放電初期，鋰離子電池電壓基本呈現線性關系；在放電中前期電壓穩定，下降緩慢；但在放電后期電壓下降迅速，如EF 段所示。當放電至終止放電電壓2.75V時，放電結束。由于鋰電池的工作電壓與電池荷電狀態SOC存在密切關系，因此在鋰離子電池放電后期階段必須進行有效控制，防止電池過放電，避免對電池造成不可逆性損害。

圖1 鋰離子電池基本充放電曲線

1.2 不同倍率下鋰離子電池充放電特性

1）不同充電倍率下的充電特性

在恒溫20℃情況下，文獻[7]對鋰離子電池分別以0.2C、0.4C、0.8C 的倍率進行恒流充電試驗。

圖2是不同充電率的恒流充電曲線，表1是不同充電率的充電參數。由圖2可知隨著充電電流的增加，充電截止所需時間明顯縮短，20A（0.2C）充電所用的時間約是80A（0.8C）的1 倍。由表1可知，隨著充電電流的增加，相應的充電時間逐漸的減少，恒流可充入容量和充入能量也逐漸的減少。因此，在確保電池使用壽命及安全的前提下，并在電池允許的充電電流內，適當提高充電電流，有助于減少整體的充電時間，這對于推動電動汽車的發展有著重要的意義。

表1 不同充電率的充電參數

2）不同放電倍率下的放電特性

在恒溫 20℃情況下，對鋰離子電池分別以0.1C、0.3C、0.5C、1C、2C 的倍率進行恒流放電試驗[2-3,5-7]。鋰離子電池在不同放電率時其放電特性如圖3所示。由圖3中可以看出，任何一種放電率，其放電過程中，中前期曲線均平緩，電壓穩定，下降緩慢。當快到達終止充電電壓時，曲線向下彎曲，下降迅速。在0.1～2C 的放電率范圍內，可以明顯看出，當電池放電倍率選擇較大時，實際放電容量明顯降低。

圖3 不同放電率的放電曲線

表2是不同倍率下的放電參數。由表2可知，隨著放電率的增加，放電容量以及放電能量均逐漸減少。

表2 不同倍率下的放電參數

1.3 不同溫度下鋰離子電池充放電特性

1）不同溫度下的充電特性

在不同溫度下，文獻[7]對鋰離子電池進行以0.3C 倍率的恒流恒壓充電試驗，圖4是不同溫度下的充電曲線，表3是不同溫度下的充電參數。由圖4可以看出，在低溫充電的情況下，與其他溫度的恒流充電的時間相比，明顯較短。這是由于溫度的降低抑制了鋰離子電池化學能和電能之間的轉化過程，對鋰離子電池的能量釋放影響更加顯著。因此結合表3可知，電池在低溫充電時，充電容量和能量比常溫大大降低。

圖4 不同溫度下的充電曲線

由表3可知，相同的截止電流，高溫充電時電池的充電容量和能量相較于常溫提高了約1%～3%。這是由于溫度較高時，提高了電池活性物質利用率以及充電效率。但要注意的是，電池在高溫充電下造成的損傷是不可恢復的。同時電池在溫度過高的情況下也容易出現安全隱患，因此需要避免電池長期處于高溫環境中，可適當地提高電池的環境溫度，提高電池回收能量率。

表3 不同溫度下的充電參數

2）不同溫度下的放電特性

在不同溫度下對鋰離子電池進行以0.4C 倍率的恒流放電[2-3,5-7]。圖5是不同溫度下的放電曲線。由圖5可知，隨著溫度的降低，電池容量百分率明顯降低。在放電初期，相較于其他溫度，低溫（-20℃）放電時的放電電壓較低，同時電池電壓出現了一個明顯的降落，因此放電能量較低；在放電中期，由于放電在電池內阻上消耗的能量使電池的溫度升高，從而提高了鋰離子電池的活性物質的利用率，電池電壓增加，所以可釋放能量的增加；在放電后期，電池電壓偏低，單位時間放出的能量也隨之降低。

圖5 不同溫度下的放電曲線

2 動力電池實際工況試驗

由于電動汽車在實際運行的過程中會受到動力電池特性的制約和影響，因此需接受實際工況的考驗，從而得知動力電池能否滿足電動汽車實際運行的需要。

2.1 汽車行駛標準工況

汽車行駛標準工況[8]是指，針對某一地區交通特點，某一類型車輛的“時間-速度”歷程。通過對特定型號車輛的實際行駛情況的調查，并分析處理數據建立起來的。

目前較有代表性的汽車行駛標準工況有美國FTP-75 工況、歐洲ECE-EUDC 工況和日本Japan10.15工況。本文測試使用的是我國的標準工況 GB/T 18386—2005，如圖6所示。每個GB/T 18386—2005工況循環，都是由4 個基本市區循環和一個基本城郊循環組成。

圖6 GB/T 18386—2005 工況循環

2.2 標準工況的循環測試

基于標準工況下的動力電池循環測試[8]，即選擇動力電池樣本，在恒溫下利用標準工況對其進行循環放電測試，考察動力電池在標準工況下的工作特性以及動力電池的循環壽命。循環壽命是指為了衡量動力電池可以達到的最長使用時間而制定的一個性能指標。

文獻[9-10]提出在實際的電池測試時，需要的是電氣工況，即需要獲得每秒電池輸出的電功率。電動汽車實際參數生成的電氣工況則可以根據標準工況計算出每秒所需要的動力電池組的輸出功率，將功率除以電池的個數，便可以得到單體電池測試需要的輸出功率。下表就是根據試驗車型在 GB/T 18386—2005 工況下生成的單體動力電池的功率譜。