FSEC方程式賽車電池充放電特性研究

梁倫　楊年炯　吳秋滿　王云婷　常清泉　梁興華

摘??? 要：為了滿足全國(guó)電動(dòng)方程式賽車（FSEC）對(duì)電池的性能要求，模擬比賽時(shí)對(duì)耐久性能、彎道性能和加速性能的工況要求，對(duì)NCM三元鋰離子電池在不同的充放電工況下的特性進(jìn)行研究與評(píng)價(jià).對(duì)比該電池在不同倍率下的放電特性，以及不同倍率放電時(shí)內(nèi)阻的變化情況.結(jié)果表明：FSEC方程式賽車采用NCM三元鋰離子電池，充電時(shí)內(nèi)阻小溫升可控，但在彎道性能和加速性能工況下放電時(shí)，必須要做好散熱設(shè)計(jì)才能滿足比賽的要求.

關(guān)鍵詞：FSEC賽車;NCM鋰離子電池;充放電特性;溫度變化;內(nèi)阻

中圖分類號(hào)：TM912;U469.696??????????? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.02.003

0??? 引言

電動(dòng)汽車代表了新一代環(huán)境協(xié)調(diào)友好型交通工具的發(fā)展方向[1]，車用動(dòng)力電池對(duì)21世紀(jì)的能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大和深遠(yuǎn)的影響.目前純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、插電式混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)未來(lái)幾十年內(nèi)的發(fā)展方向， 鋰離子動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件， 對(duì)電動(dòng)汽車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)有著非常大的影響[2].由于能源、環(huán)境危機(jī)的日益加劇以及電子信息行業(yè)的高速發(fā)展，鋰離子電池受到前所未有的關(guān)注[3].新能源汽車作為中國(guó)汽車未來(lái)發(fā)展的方向已經(jīng)毋庸置疑.在政府高額補(bǔ)貼的催化下， 新能源汽車的發(fā)展已經(jīng)從不溫不火到突飛猛進(jìn)， 其中尤為關(guān)鍵的是純電動(dòng)車作為新能源汽車發(fā)展的中長(zhǎng)期戰(zhàn)略得以完全確立[4].中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式汽車大賽（FSEC）是中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)主辦，中國(guó)宋慶齡基金會(huì)全程唯一公益支持，由高等院校汽車工程或汽車相關(guān)專業(yè)在校學(xué)生組隊(duì)參加的汽車設(shè)計(jì)與制造比賽.

不同于純電動(dòng)乘用車，F(xiàn)SEC賽車按F1方程式賽事的要求來(lái)制造，對(duì)動(dòng)力電池的動(dòng)力性提出苛刻的要求.因而采用不同工況研究動(dòng)力電池的充放電行為、倍率特性和溫度狀況，對(duì)FSEC電動(dòng)賽車的設(shè)計(jì)、加工制造有重要意義.本文模擬賽車的部分實(shí)際工況，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電行為，以及大電流放電時(shí)的溫度狀況進(jìn)行研究，探索FSEC賽車工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池溫升狀態(tài)和電化學(xué)行為的影響.

1??? 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

本次實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備是天博電子信息科技有限公司的電池單體充放電測(cè)試系統(tǒng)，型號(hào)為CBTS-100A-05V-8CH（圖1）.該設(shè)備有一個(gè)溫度讀取器，兩個(gè)溫度采集傳感器.研究對(duì)象為桑頓新能源科技有限公司NCM材料的鋰離子動(dòng)力電池，型號(hào)為SEPNi8688190P-15Ah，標(biāo)稱容量為15 Ah.模擬FSEC賽車充電和放電工況對(duì)電池的充放電溫升、內(nèi)阻狀態(tài)與電化學(xué)行為進(jìn)行研究.

1.1?? 充電工況

電池作為電動(dòng)車汽車的主要儲(chǔ)能部件，其使用特性受到諸多因素影響[5].對(duì)所研究的三元鋰離子電池均采用1 C倍率的充電，充電工況（三段式）包括：恒流充電、恒壓充電、階段充電等[6]，測(cè)試條件為室溫環(huán)境下.根據(jù)賽車電池組的充電機(jī)功率，以及賽事的現(xiàn)場(chǎng)條件及要求，充電工況設(shè)置為：以15 A的電流對(duì)電池恒流充電，充電至電池電壓為4.18 V;然后對(duì)電池恒壓限流充電，充電至電流小于0.6 A停止，擱置時(shí)間為1 200 s.在電腦上設(shè)定采集的數(shù)據(jù)為0.1 s采集一個(gè)數(shù)據(jù)，10 s采集一個(gè)數(shù)據(jù).具體充電工況如表1所示.

1.2?? 放電工況

為了滿足方程式電動(dòng)賽車的比賽加速性能要求，研究其在比賽過(guò)程中大倍率電流下的放電性能、溫升情況.根據(jù)比賽時(shí)的不同階段，用倍率值來(lái)模擬耐久性能、彎道性能、加速性能等狀態(tài)時(shí)，電池的放電工況和溫升狀態(tài).因此，測(cè)試的放電工況為：3 C（耐久性能）、3.5 C（彎道性能）、4 C（加速性能）倍率放電（表2），即36 A、52.5 A、60 A的電流放電.對(duì)電池恒流放電，直到電池電壓小于3.2 V，放電過(guò)程結(jié)束.由于模擬電池箱體中電池的狀態(tài)，本次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有對(duì)電池進(jìn)行外部的降溫，在高電流的放電條件下放電，電池內(nèi)部很容易發(fā)熱，導(dǎo)致溫度升高，所以在電池的正負(fù)極上連接溫度傳感器，實(shí)時(shí)觀測(cè)電池在不同倍率放電過(guò)程中溫升情況.并且在電池的放電流程中加入溫度限制報(bào)警，因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)測(cè)試儀的溫度保護(hù)上限是50 ℃，超過(guò)這個(gè)值會(huì)損害機(jī)器，甚至是電池.本次實(shí)驗(yàn)根據(jù)充放電測(cè)試儀的放電溫度標(biāo)準(zhǔn)、電池的標(biāo)準(zhǔn)，將溫度限定為50 ℃，當(dāng)電池的極耳溫度達(dá)到50 ℃儀器自動(dòng)停止放電.

2??? 結(jié)果與分析

2.1?? 充電特性

圖2為NCM三元電池以表1充電工況充電后的充電曲線，采用相同的A/B兩電池充電以便考察數(shù)據(jù)的一致性.由圖可見(jiàn)，整個(gè)充放電過(guò)程，曲線可以分為3個(gè)階段：第一個(gè)階段為恒流充電，充電倍率1 C，電流15 A，可見(jiàn)初始階段電壓快速直線上升，然后進(jìn)入3.46 V平臺(tái)后緩慢上升，表明電池在外部電場(chǎng)的作用下鋰離子克服歐姆內(nèi)阻遷移至負(fù)極，由于歐姆電阻大致恒定且較小，宏觀表現(xiàn)出電壓直線上升;第二階段仍為恒流充電，電流15 A，可見(jiàn)這個(gè)階段電壓以較快速度上升，但上升速率低于第一階段，電壓升至4.18 V后進(jìn)入第三階段，表明這個(gè)階段電池內(nèi)部鋰離子克服極化內(nèi)阻遷移至負(fù)極，由于極化內(nèi)阻隨充電時(shí)電化學(xué)反應(yīng)而變化，宏觀表現(xiàn)出電壓曲線上升;第三階段為恒壓限流充電，充電電壓恒定4.2 V，當(dāng)充電電流達(dá)到0.6 A時(shí)，充電結(jié)束，因此電壓為4.2 V直線，這個(gè)階段以小電流恒壓充電，目的是防止電池過(guò)充，從而損傷電池.從獲得的充電曲線表明，A/B兩個(gè)電池的充電曲線的弧度都大體一致，兩個(gè)電池的充電曲線差異很小，整個(gè)充電過(guò)程5 500 s，符合賽事的現(xiàn)場(chǎng)條件及要求.

2.2??? 不同放電倍率的特性

圖3中，放電過(guò)程中大致可以分為二個(gè)階段：電池在放電的初期，U-C（電壓-容量）曲線的斜率較大，放電倍率越大，下降越快;隨著放電時(shí)間的增加，U-C曲線的斜率逐漸趨于水平.

圖3中，電池A、電池B為不同倍率下的相同材料的兩個(gè)電池.因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)設(shè)置了一個(gè)溫度限制，放電過(guò)程中達(dá)到50 ℃時(shí)，放電過(guò)程即刻停止，避免出現(xiàn)損壞電池的情況和保護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備.圖中可以看出，? 3 C倍率（耐久性能）放電時(shí)，電池溫升不超過(guò)50 ℃，可以足容量放電，表明電池在耐久性能比賽時(shí)，不散熱即可完成比賽要求;3.5 C倍率（彎道性能）放電時(shí)，電池放電至容量9 Ah（電壓3.4 V）時(shí)，電池溫升超過(guò)50 ℃達(dá)到電池溫控上限，表明電池在彎道性能比賽時(shí)，必須有較好的散熱才能完成比賽要求;4 C倍率（加速性能）放電時(shí)，電池放電至容量5 Ah（電壓3.5 V）時(shí)，電池溫升超過(guò)50 ℃達(dá)到電池溫控上限，表明電池在加速性能比賽時(shí)，必須有較好的散熱才能完成比賽要求;因此，采用NCM三元電池組裝成為高壓電池組時(shí)，必須設(shè)計(jì)好散熱通道和裝置，才能滿足比賽要求.

2.3?? 內(nèi)阻分析

在電化學(xué)行為上，電池的內(nèi)阻分為兩部分：歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻.歐姆內(nèi)阻對(duì)于具體某個(gè)電池來(lái)說(shuō)，是個(gè)相對(duì)固定值，其值為正極、負(fù)極、隔膜、連接片等內(nèi)阻之和，而極化內(nèi)阻與正負(fù)極材料、電解液的濃度、電池電化學(xué)反應(yīng)、環(huán)境溫度等有關(guān)[7].目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電池內(nèi)阻的分析一般僅限于內(nèi)阻的測(cè)試和辨識(shí)方法[8]以及在不同狀態(tài)下的電池內(nèi)阻特性研究[9].

圖4（a）為電池1 C充電時(shí)，內(nèi)阻的變化情況;圖4（b）—圖4（d）為電池3 C/3.5 C/4 C放電時(shí)的內(nèi)阻變化情況.由圖4（a）可看出，充電初始階段（小于1 700 s時(shí)），電池內(nèi)阻約為0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范圍內(nèi)波動(dòng)，表明電池在剛開始充電時(shí)，歐姆內(nèi)阻起主要作用，即0.01 mΩ的內(nèi)阻為正極、負(fù)極、隔膜、連接片等內(nèi)阻之和;當(dāng)充電時(shí)間大于1 700 s后，內(nèi)阻逐步上升，充電3 200 s以后內(nèi)阻達(dá)到0.2 mΩ的峰值，表明充電1 700～3 200 s階段，極化內(nèi)阻起主要作用，在這個(gè)階段正極材料內(nèi)的鋰離子在外部電場(chǎng)的作用下克服化學(xué)鍵能脫嵌并遷移、嵌入負(fù)極，同時(shí)儲(chǔ)存電量，因而內(nèi)阻不斷增加，極化現(xiàn)象加劇.由圖??? 4（b）—圖4（d）可看出，電池在放電初始階段，電池的內(nèi)阻逐步下降，表明電池初始放電時(shí)極化內(nèi)阻起主要作用，在這個(gè)階段負(fù)極材料內(nèi)的鋰離子在電池內(nèi)部電場(chǎng)的作用下克服化學(xué)鍵能脫嵌并遷移、嵌回正極，同時(shí)放出電量，因而內(nèi)阻不斷降低，極化現(xiàn)象減弱.不同放電倍率下，極化降低速率不同，由圖4（b）—? 圖4（d）可看出，極化內(nèi)阻起主要作用的階段，3 C倍率為1 150 s，3.5 C倍率為650 s，4 C倍率為200 s，表明放電倍率越大，極化降低速率越快.

3??? 結(jié)論

本文采用電池單體充放電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)NCM三元鋰離子電池進(jìn)行充放電特性研究，研究了不同放電倍率下電池的溫度變化，和充放電過(guò)程中的內(nèi)阻的變化情況.結(jié)果表明：

1）1 C倍率充時(shí)，電池A電壓從3.2 V升至4.2 V，電池充電容量14.2 Ah.而電池B充電容量14.1 Ah.

2）3 C倍率（耐久性能）放電時(shí)，電池溫升不超過(guò)50 ℃，可以足容量放電;3.5 C倍率（彎道性能）放電時(shí)，電池放電至容量9 Ah（電壓3.4 V）時(shí)，電池溫升超過(guò)50 ℃達(dá)到電池溫控上限;4 C倍率（加速性能）放電時(shí)，電池放電至容量5 Ah（電壓3.5 V）時(shí)，電池溫升超過(guò)50 ℃達(dá)到電池溫控上限;因此，采用NCM三元電池組裝成為高壓電池組時(shí)，必須設(shè)計(jì)好散熱通道和裝置，才能滿足比賽要求.

3）充電初始階段（小于1 700 s時(shí)），電池內(nèi)阻約為0.01 mΩ左右，且在0.003 mΩ范圍內(nèi)波動(dòng)，歐姆內(nèi)阻起主要作用;當(dāng)充電時(shí)間大于1 700 s后，極化內(nèi)阻起主要作用;電池在放電初始階段，極化內(nèi)阻起主要作用，后期主要是歐姆內(nèi)阻起主要作用;放電倍率約大，極化降低速率越快.

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Study on charge and discharge performances of FSEC

formula racing car battery

LIANG Lun， YANG Nianjiong*， WU Qiuman， WANG Yunting， CHANG Qingquan，

LIANG Xinghua

（College of Automobile and Traffic Engineering， Guangxi University of Science and Technology，

Liuzhou 545006， China）

Abstract： In order to meet the performance requirements of the battery for the National Electric Formula Racing （FSEC）， the characteristics of NCM lithium ion batteries under different charging and discharging conditions were studied and evaluated by simulating the working conditions of durability， bending performance and acceleration performance. The discharge characteristics of the battery at different discharge rates and the change of internal resistance at different discharge rates were compared. The results show that using NCM ternary lithium-ion batteries can control the temperature increase of internal resistance when charging， but when the power is discharged under the conditions of bending performance and acceleration performance， the heat dissipation design must be done well to meet the requirements of the race.

Key words： FSEC racing car; NCM lithium-ion battery; charge-discharge characteristics; temperature change; internal resistance