不同工況下動力電池充放電策略優化研究

陶玉鵬 聶永福 朱紅 蔣旭吟 曾祥兵

摘 要：鋰離子動力電池作為純電動汽車的動力來源，整車運行工況影響電池的功率輸出特性和熱性能表現。通過對電池在持續大功率放電及循環充放電測試工況下的熱性能及功率輸出性能的分析研究，明確了在不同工況下電池包內部個測試點的溫度及溫差變化，以此優化整車充放電控制策略。

關鍵詞：鋰離子電池;電動汽車;熱性能;控制策略

近年來，隨著純電動汽車的開發技術的不斷發展以及對高續航電動汽車需求，具有高能量密度的三元鋰離子電池被設計開發并運用到電動汽車上[1]。鋰離子電池作為純電動汽車的唯一的能量來源，為了滿足高續航純電動汽車的需求，盡可能多的高能量密度的電芯成組后并放到有限空間內，該設計在整車惡劣的運行工況下可能會給電池系統內部的電芯帶來高溫環境[2]。另一方面，電池過熱以及電池包內部熱量的不均一性，都將會嚴重影響到電池功率輸出及壽命，而動力電池的性能直接影響到電動車的動力性能和安全性能。

1 實驗

1.1 實驗對象

實驗研究對象為純電動汽車用高比能量的三元動力電池系統，電池相關的參數如下：電量32.3KWh、最高溫度閥值51℃、測試溫度保護閥值60℃。

1.2 實驗設備

100KW快速充電機（CSG-BCG-D3020），步入式高低溫濕熱試驗室（EW594065W型），充放電設備（EVT250-500-60 KW IGBT）。

1.3 實驗方法

（a）電池常溫靜置，且電池溫度在（25±2） ℃，以34.6A恒流充至滿電，在40℃下放置大于6h，且系統溫度在（40±2） ℃;b）進行持續放電（HSC）和循環測試工況（CTC）測試。

2 結果與討論

2.1 溫度傳感器布置

根據電池內部模組的成組形式，共布置18個NTC溫度傳感器，以用于檢測電池內部溫度變化，并依據不同工況下電池的溫升特性，優化電池系統的功率輸出策略。

2.2 持續放電（HSC）

依據整車最大需求的放電功率，對電池進行模擬放電測試，圖1（a）中描述了三種放電策略，策略1（CL-1）依據整車爬坡需求的最大功率36.5KW，對電池包從滿電狀態下進行持續放電至30% SOC的實際測試，圖1（b）中的展示了策略1測試過程中的最高最低溫度（CL-1 Tmax和CL-1 Tmin）變化，可以觀察到電池溫度持續升高。放電結束時，電池包的最高溫度為53℃，高于動力電池使用的上限溫度。為此CL-2中進行了降功率處理，即當CL-2 Tmax ≥ 48℃時，放電功率由36.5KW降低至30KW，但是由圖1（b）中溫度曲線可以看出，末端的溫升明顯放緩，但熱量還是在不斷積累，放電末端的最高溫度也高達50℃。CL-3在上述分析的基礎上，進行多次降功率，即當CL-3 Tmax ≥ 45℃時，電池放電功率由36.5KW降低至26KW;當CL-3 Tmax ≥ 48℃時，電池放電功率由26KW降低至22KW持續放電至30% SOC，具體的功率變化如圖1（a）所示。由圖1（b）中最高最低溫度變化，可以看到放電結束時最高溫度基本穩定在48℃，此時電池包放電產生的熱量與對外散熱量基本處于一個平衡狀態，且電池包內溫差也可控制在3℃內。

2.3 循環測試工況

2.3.1 充放電策略

圖2中展示了三種循環測試工況（CTC）充放電策略，具體如下：1）策略1（CTC-1）先以23.3KW持續放電至30% SOC，再以104A的電流充電至80% SOC，最后以23.3KW恒功率持續放電至30% SOC;2）策略2（CTC-2）中僅將快充電流降低至52A，放電功率維持在23.3KW;3）策略3（CTC-3）放電策略為當最高溫度（CTC-3 Tmax）大于等于45℃時，放電功率由23.3KW降低至18.5KW，當CTC-3 Tmax ≥ 48℃時，快充電流由52A降至20A，此外放電功率由18.5KW降低至9.6KW。

2.3.2 充放電過程中溫度變化

圖3中描述了三種充放電策略下的最高和最低溫度的變化，由循環工況1（CTC-1）的最高最低溫（CTC-1 Tmax）度變化可以看到，測試結束后最高溫度已達到58℃，明顯高于溫度閥值。循環工況2（CTC-1）將快充電流降低至52A，雖然快充階段的最大溫升降低至6℃，但是由于起始溫度較高（48℃）及快充后放電功率仍為23.3KW，導致測試結束后的末端最高溫度（CTC-2 Tmax）仍然高達52℃。基于上述的兩種測試結果的分析，為了達到充電時間、電池溫升、整車動力性三者的平衡目的，需要滿足快充前后及循環工況末端的最高溫度控制在48℃以下。由圖3中可以分析得到當放電功率降至18.5KW時，CTC-3 Tmax基本維持在45℃，保證快充前的溫度不會過高。為保證快充后電池溫度不會高于48℃，所有當CTC-3 Tmax ≥ 48℃時，快充電流降低至20A。整個循環工況（CTC-3）測試完成后，電池系統各溫度檢測點的最高溫度在45℃左右，溫差控制在3℃以內。

3 結語

通過對電池系統進行臺架測試，并根據實驗結果優化電池系統充放策略。結果表明在高溫45℃和48℃進行適當降功率處理，可以將充放電末端溫度控制在48℃，溫差控制在4℃。

參考文獻：

[1]Capasso C，Veneri O. Experimental analysis on the performance of lithium based batteries for road full electric and hybrid vehicles[J]. Applied Energy，2014，136：921-930.

[2]Sato N. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J]. Journal of power sources，2001，99（1-2）：70-77.