基于電池內阻特性的電動汽車放電模式研究

許 鈾，楊 勇

(廣東技術師范學院汽車學院，廣東廣州510635)

基于電池內阻特性的電動汽車放電模式研究

許 鈾，楊 勇

(廣東技術師范學院汽車學院，廣東廣州510635)

電流、溫度大小會影響電動汽車鋰離子動力電池組放電的效率及電池組一致性，其本質是電池內阻本身固有特性所致。通過研究鋰離子動力電池組在不同溫度、不同放電電流下的內阻變化，建立電池內阻變化圖譜，分析不同溫度、電流對電池輸出能量的影響。根據電池內阻特性，結合整車動力性及經濟性，將電動汽車放電策略分為可供選擇的三種模式：動力模式、經濟模式及限制模式。通過電動汽車續駛里程及放電能量的對比測試，比較所提出的各種模式的優缺點。實驗證明，根據不同路況及使用需求，采用不同的放電模式，可以保證整車動力性，延長電池壽命，提高整車續駛里程。

鋰離子動力電池組；電池內阻；放電電流；溫度

為擺脫石油資源依賴及減少傳統汽車尾氣排放污染，純電動汽車的研究與開發逐漸受到各國的重視。純電動汽車由動力電池、電機和電控系統三大關鍵部件組成，其中電池是電動汽車的核心技術[1]。和燃油汽車相比，動力電池的比容量、比功率仍然比較低，導致電動汽車續駛里程受限于有限的動力電池能源。為提高電動汽車續駛里程，整車控制策略可以從兩大方面考慮：(1)驅動高效化。通過提高電機運行效率，減少傳統系統上能源損耗進而提高驅動效率，如文獻[2]利用模糊控制的方法，開發了純電動轎車的控制策略；文獻[3]開發了加速踏板信號處理模塊、驅動模式識別與轉換策略和各模式控制策略組成的整車驅動控制策略；文獻[4]以整車動力性和經濟性為目標，提出了電動汽車電機與傳動系統參數的匹配方法。(2)能源優化管理及高效利用，在充電過程中能盡可能讓電池組獲得更多的能源[5-6]，在整車運行過程中，能讓電池組放出更多的能量。事實上，動力電池組的特性與放電電流、溫度相關，在整車運行過程中，若沒有充分地考慮上述因素，整車電池電壓會迅速下降至放電截止電壓，導致續航里程縮短甚至影響電池壽命。

本文通過分析不同溫度、不同放電電流對電池的影響，繪制動力電池內阻變化圖譜，結合放電電流與內阻關系，考慮輸出電流與油門踩踏深度之間的關系，對整車放電模式進行優化分類。最后通過整車里程對比實驗，驗證各種放電模式的有效性。

1 電動汽車電池放電特性及電池內阻圖譜評測方法

電動汽車磷酸鐵鋰動力電池放電過程實際上是Li+從石墨電極脫離，透過隔膜進入LiFeO4中，電子則經過集電體和外圍電路到達正極。在討論電動汽車電池放電特性之前，先對幾個概念進行定義：

(1)電池平衡電動勢，指的是電池體系處于未充放電狀態時，內部化學反應相對靜止的電動勢；

(2)工作電壓，指的是電池在充放電或者靜止過程中，其正負極兩端的電壓值；

(3)SOC值，指的是電池的剩余電量相對電池所能放出最大電量的百分比值。

磷酸鐵鋰電池在放電之后，其電池兩端電壓變化有如下特性：在放電后短時間內(通常是5min以內)，電池電壓急劇上升，然后在相當長的一段時間內，電池電壓才慢慢恢復到電池的平衡電勢上。這種現象稱為電池極化，實際是電池材料及內部極化等原因所導致，對外表現為電池的等效內阻。

通常，電池內阻與電池的工作電壓與平衡電動勢之間的壓差、放電電流大小存在一定的關系。文獻[7]通過測試表明在低溫下，電池的充放電性能顯著下降，充放電內阻顯著增大，電池一致性變差。因此，電池內阻在整個放電過程中并不是一個穩定量，而是與SOC值、放電電流、溫度相關的變量。研究放電過程中的內阻特性，有利于電動汽車使用過程中能量輸出規律的獲得，進而為整車放電策略提供指導。

1.1 電池內阻計算方法

建立電池等效內阻方程：

1.2 相同溫度不同放電電流下電池內阻特性

磷酸鐵鋰電池在不同放電電流下的內阻有如下的變化特性：在放電末期，大電流下電池內阻升高較小電流要快，大電流放電放出的電量比小電流放出的少。由于電流輸出與油門踩踏、實際路況相關，這種現象會導致駕駛員不同駕駛習慣下整車的續駛里程有所不同，特別是在末期過程下，大電流放電還可能使電池受損。

對內阻進行檢測，可以采用如下步驟：

(1)將電池放入有一定溫度的溫箱中，靜置一段時間保證電池極柱溫度同溫箱溫度相當；

(4)保持靜置狀態90min；根據式(1)計算電池等效內阻，繪制曲線，同時記錄不同放電電流下電池放出的電量。

測試過程調整放電電流，獲得不同電流下電池內阻變化曲線及放電電量。

1.3 相同放電電流不同溫度下電池內阻特性

電池特性也受溫度影響，為檢測其特性，對110 Ah單體電池放置于溫箱中，進行如下步驟測試：

(2)執行1.2節測試步驟(2)～(4)，放電電流選擇0.5。

測試過程溫度分別設置為40、30、20、10、0、-10、-20℃，可得相同電流不同溫度下電池內阻變化曲線及放電電量，如圖1和圖2所示。可見，溫度越低放出的電量越少，這種情況會導致在低溫情況下，若不對電池進行加溫措施，整車續駛里程會受到很嚴重的影響。

圖1 不同溫度下內阻-SOC曲線

圖2 不同溫度下放出電量對比

1.4 電池內阻圖譜描述方法

結合上述，可通過圖譜的方式描述電池組內阻特性，其方法及步驟如下：

(1)考慮電池一般性，需采用某一同類型、安時數相同、相同批次的個全新電池，分別對其充滿電，并將其串聯放置于恒定溫度環境下，靜置一段時間保證電池內部溫度同溫度相當；

(4)保持靜置狀態90min；為描述電池內阻一般性，將放電過程電池組平均內阻作為整組電池內阻的代表，繪制曲線；

2 基于內阻特性的整車放電模式

根據電池內阻受溫度、電流影響的變化規律，可以建立一套放電模式，以達到保證整車動力性，增加電池輸出電量，提高整車續駛里程及延長電池壽命的目的。

2.1 可持續最大理想放電電流

根據本文1.2節可知，放電電流越大，內阻升高的拐點所對應的SOC值越大，電池電壓會越快到達截止電壓而使電源停止供電。根據這種規律，對可持續最大理想放電電流進行定義：在特定的SOC值范圍內，保證電池內阻不會大幅度增大時電池所能接受的最大放電電流。因此可建立電池可持續最大理想放電電流表達式：

電池內阻大幅度升高位置，可以通過斜率最大值方法求得：

利用不同電流下內阻變化規律圖譜，可以擬合可持續最大理想放電電流變化曲線，如圖3所示。根據圖3可知，若將放電電流限制在最大理想放電電流曲線以下，則可以減緩電池內阻增大，提高電池放電能量及整車續駛里程。

圖3 基于內阻特性的最大理想放電電流范圍

2.2 油門踩踏深度與放電電流的關系

由于整車動力性與放電電流存在一定的關系，過分地對電流進行限制，會直接影響整車的動力性。電流的輸出情況，必須充分地考慮整車行駛路況以及載荷的情況。一般情況下，由于整車其他用電器的功率相對電機來說小了很多，可以近似地認為油門踩踏深度δ與放電電流大小存在正比的線性關系：

2.3 基于內阻特性的放電模式研究

鑒于整車的動力性以及電池可持續最大理想放電電流情況，對油門踩踏深度與放電電流關系進行優化，可將電動汽車放電策略分為三種模式。

(1)動力模式：不考慮放電電流對電池內阻的影響，油門踩踏深度與放電電流關系與式(6)相近似。

(2)經濟模式：考慮放電電流對電池內阻的影響，在一定油門踩踏深度下將輸出電流控制在最大理想放電電流內，而當踩踏深度超過限制范圍時，輸出電流會隨著踩踏深度增大而增大，保證整車動力性。

(3)限制模式：考慮最大理想放電電流隨SOC值而變化，在不同的SOC值下，將輸出電流限制在最大理想放電電流內。

上述三種模式下，其油門踩踏深度與放電電流的關系如圖4所示。其中，動力模式下油門踩踏深度和輸出電流關系式如式(6)所示；經濟模式下油門踩踏深度和輸出電流關系式如式(4)所示；限制模式下油門踩踏深度和輸出電流關系式如式(8)所示。

圖4 各模式下油門踩踏深度與放電電流關系

通過上述放電模式，可為用戶不同的駕駛需求提供選擇，一方面保證整車動力性，同時也能保證整車經濟性，提高續駛里程。

2.4 經濟模式下電流輸出控制

經濟模式下，由于油門踩踏深度與電流輸出為以δ0為臨界點的分段函數，當油門踩踏深度在δ0變化時，輸出電流波動可能很大，這會影響安全舒適性。

實際運行中，電流的輸出并不是立即與油門踩踏深度相對應，而是在短時間內呈現一定的延遲，如圖5(a)所示。本文采用以下方式對電流響應因子進行改進：

通過改進電流響應因子，將電流輸出改為緩慢變化的方式，如圖5(b)所示，延長電流輸出響應時間，提高駕駛舒適性和平穩性。

圖5 電流輸出控制

3 實驗結果與分析

為驗證本文方法的可靠性，依托東莞中山大學研究院研發的FDG6601純電動中巴車(圖6)進行了測試。

圖6 FDG6601純電動中巴

該中巴上安裝了上述所測試的110 Ah、100串磷酸鐵鋰電池包，根據本文1.4節所述方法繪制內阻圖譜。其中，放電電流為1、0.7、0.5、0.4、0.3，溫度為-20、-10、0、10、20、30、40℃。通過測試，獲得電池內阻圖譜，如圖7所示。

根據內阻圖譜，繪制可持續最大理想放電電流，如圖8所示。

圖7 電池內阻圖譜

圖8 整車可持續最大放電電流

對整車進行續駛里程對比測試，步驟如下：

(1)對整車進行充電，將電池充滿；

(2)按照實際路況，在動力模式下對整車進行行駛測試，將整車電量用完，記錄跑完所用的能量以及整車的續駛里程；

(3)再次對整車進行充電，將電池充滿；

(4)根據圖8，分別采用本文所提出的經濟模式和限制模式修改整車放電控制策略，按照實際路況，對整車進行行駛測試，將整車電量用完，記錄跑完所用的能量以及整車的續駛里程；

(5)重復步驟(1)～(4)10次，比較三種模式的優越性。

通過實驗后，本文所提出的三種放電模式在測試過程中的放電能量及整車續駛里程對比如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10可知，動力模式放電能量較少，整車續駛里程較短，但是動力性較好；限制模式放電能量較多，整車續駛里程較長，但動力性能最差；而經濟模式則在介于動力模式和限制模式之間，一方面既能保證整車動力性，另一方面也能在一定程度上控制輸出電流，提高續駛里程。實際使用過程中，對于載荷加大、路況較復雜等情況下，駕駛員采用動力模式，可以保證整車的有效動力；在載荷不大、路況稍微簡單些的情況下，駕駛員采用經濟模式，在上坡、起步等情形可以保證整車動力性，一般過程下則保證了電流輸出符合可持續最大理想放電電流，提高整車續駛里程；在載荷小、路況良好的情況下，選擇限制模式，可以保證電流輸出始終符合可持續最大理想放電電流，最大限度地保證電池能量輸出，做到整車續駛里程最大化。

圖9 放電能量對比

圖10 續駛里程對比

4 結論

本文通過分析電動汽車鋰離子動力電池內阻與放電電流、溫度的關系，提出電動汽車電池內阻圖譜描述方法。考慮電池內阻與放電電流、SOC的關系，總結出電池可持續最大理想放電電流曲線，結合油門踩踏深度與放電電流關系，將整車放電策略分為三種模式。通過不同模式下的續駛里程及放電能量的對比測試，驗證了本文方法的有效性。該方法給駕駛員提供了電動汽車動力性和經濟性的放電模式選擇，兼顧了整車動力性和經濟性，增加了放電能量，提高了整車續駛里程，可為電動汽車整車控制策略提供一種新方法，具有一定的理論價值和現實意義。

[1]莊幸,姜克雋.我國純電動汽車發展路線圖研究[J].汽車工程,2012, 34(2):91-97.

[2]王佳,楊建中,蔡志標,等.基于模糊控制的純電動轎車整車優化控制策略[J].汽車工程,2009,31(4):362-365.

[3]黃萬友,程勇,紀少波,等.基于最優效率的純電動汽車驅動控制策略開發[J].汽車工程,2013,35(12):1062-1067.

[4]胡明輝，謝紅軍,秦大同.電動汽車電機與傳動系統參數匹配方法的研究[J].汽車工程,2013,35(12):1068-1073.

[5]徐智威,胡澤春,宋永華,等.充電站內電動汽車有序充電策略[J].電力系統自動化,2012,36(11):38-43.

[6]CHEN L R.A design of an optimal battery pulse charge system by frequency-varied technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(1):398-404.

[7]雷治國,張承寧,李軍求,等.電動車用鋰離子電池低溫性能研究[J].汽車工程,2013,35(10):927-933.

Study on discharging modes of electric vehicle based on lithium-ion battery resistance performance

The discharging efficiency and consistency of electric vehicle lithium-ion battery can be affected by the current and temperature, and the reason for the phenomenon is that the resistance of battery is affected by the current and temperature.The changing of resistance at different current and temperature was studied,and the battery resistance map was established,and the battery output energy at different current and temperature was analyzed.According to the dynamic characteristic and economy,the discharging strategies of electric vehicle were divided into three modes:dynamic mode,economic mode and limit mode.The electric vehicle driving tests were carried out and the different modes were compared in the experiments.The results show that the proposed method can improve the dynamic characteristic,energy efficiency and extend the battery life.

lithium-ion battery;resistance;discharging current;temperature

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1180-05

2015-12-16

廣東省教育廳青年創新人才培育項目(基于內阻特性的電動汽車鋰離子電池組一致性評價及充放電策略研究)；廣東省自然科學基金 (8151063301000004)；廣東省科技廳重大專項(2015B010135006)

許鈾(1983—)，男，廣東省人，博士，主要研究方向為電動汽車動力電池使用及維護。