鋰電池的壽命與插電式混合動(dòng)力汽車能量控制研究

劉冬梅 王紅

摘要：較科學(xué)的插電式動(dòng)力系統(tǒng)能量控制大致分為電量消耗與電量維持兩階段，鋰電池循環(huán)工作是其擺脫電量維持階段的前提，科學(xué)與有效使用鋰電池十分重要。在生命周期內(nèi)，鋰電池會(huì)受到充放電倍率、放電深度、環(huán)境溫度以及充放電截止電壓等多種因素的影響，它們會(huì)在一定程度上造成鋰電池性能的衰減，進(jìn)而影響插電式混合動(dòng)力汽車整車的經(jīng)濟(jì)性。基于電池組正常驅(qū)動(dòng)、科學(xué)分配發(fā)動(dòng)機(jī)與鋰電池之間的能量流動(dòng)等前提，文章對(duì)考慮鋰電池壽命的能量控制策略進(jìn)行研究，策略的制定需要考慮鋰電池放電最大限制功率、放電下限值以及發(fā)動(dòng)機(jī)定點(diǎn)功率。

關(guān)鍵詞：插電式混合動(dòng)力汽車;鋰電池壽命;性能衰竭;能量控制

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2019）09-0097-05

當(dāng)今汽車工業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)即實(shí)現(xiàn)車輛的低能耗與低排放。插電式混合動(dòng)力汽車具有較高的操縱性、通過性與穩(wěn)定性，且在適當(dāng)條件下，還可作為純電動(dòng)汽車使用，兼具混合動(dòng)力汽車與純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)。在能源短缺問題嚴(yán)重、節(jié)能減排被大力倡導(dǎo)的背景下，插電式混合動(dòng)力汽車愈發(fā)受到市場(chǎng)的青睞。

對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車而言，其能量管理策略是車輛有良好性能保證的基礎(chǔ)，核心在于明確動(dòng)力總成在不同行駛工況下的工作模式，以及不同工作模式下發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)之間的功率分配。當(dāng)下，插電式混合動(dòng)力汽車的核心儲(chǔ)能裝置為鋰電池，降低各因素對(duì)其衰減情況的影響，延長(zhǎng)使用壽命，既能減少車輛使用成本，又可為汽車在全生命周期內(nèi)的正常使用提供保證。文章以插電式混合動(dòng)力汽車為研究對(duì)象，基于電池、發(fā)動(dòng)機(jī)的協(xié)同運(yùn)行，設(shè)計(jì)一種能量控制策略，用以優(yōu)化鋰電池的壽命。

1插電式混合動(dòng)力汽車結(jié)構(gòu)及其能量控制原理

1.1插電式混合動(dòng)力汽車基本結(jié)構(gòu)

插電式混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包括兩套獨(dú)立動(dòng)力系統(tǒng)，其一由對(duì)后橋產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的后驅(qū)電機(jī)及其控制器構(gòu)成;其二則包括對(duì)前橋產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制器、與發(fā)動(dòng)機(jī)具有同軸相連關(guān)系的啟動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)電機(jī)及其控制器、在較低的電荷狀態(tài)下將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的起動(dòng)機(jī)、位于發(fā)動(dòng)機(jī)與ISG電機(jī)之間的離合器1、同ISG電機(jī)輸出軸具有相互連接關(guān)系的離合器2以及同離合器2具有相互連接關(guān)系的無級(jí)變速箱。除此之外，逆變器1與逆變器2分別建立起動(dòng)力電池與后驅(qū)電機(jī)、ISG電機(jī)之間的連接關(guān)系。

1.2插電式混合動(dòng)力汽車能量控制原理

對(duì)于插電式動(dòng)力系統(tǒng)，較科學(xué)的能量控制大致分兩段，如圖2所示。電量消耗（charge-depleting，CD段）與電量維持（charge-sustaining，CS段）。在插電式混合動(dòng)力汽車鋰電池儲(chǔ)能通過外界方式充滿電之后，汽車的能量控制策略將根據(jù)鋰電池的電量對(duì)APU系統(tǒng)的功率輸出進(jìn)行調(diào)整，不斷釋放鋰電池存儲(chǔ)的電能。而在電量降低到一定程度后，APU系統(tǒng)又會(huì)提高功率輸出，將其作為汽車能量的主要來源，同時(shí)，在一個(gè)合理與高效的區(qū)間內(nèi)對(duì)鋰電池荷電狀態(tài)予以維持。若沒有外界充電裝置，混合動(dòng)力汽車將會(huì)始終工作于cs階段，對(duì)鋰電池進(jìn)行科學(xué)、有效的使用十分重要。

2鋰電池性能與插電式混合動(dòng)力汽車性能之間的關(guān)系

現(xiàn)有混合動(dòng)力汽車電池容量較小，運(yùn)行能量主要源于發(fā)動(dòng)機(jī)燃料釋放的熱能。與之不同，為確保純電動(dòng)行駛里程，插電式混合動(dòng)力汽車配有大容量動(dòng)力電池，可吸收電網(wǎng)中的經(jīng)濟(jì)環(huán)保電能，并優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作空間。動(dòng)力電池作為插電式混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心能量源，直接影響車輛的性能。在各類動(dòng)力電池中，鋰離子電池基于其各方面優(yōu)異的性能被視作前景最好的電池類型。以目前應(yīng)用較多的磷酸鐵鋰電池為例，分析其性能與插電式混合動(dòng)力汽車性能之間的關(guān)系。

磷酸鐵鋰電池的工作原理，如圖3所示分別以橄欖形結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰以及嵌鋰后的石墨為其正極與負(fù)極材料。

磷酸鐵鋰離子電池工作原理是充放電的循環(huán)過程，該過程中，其正極離子、電子變化情況為：

鋰離子電池屬于濃差電池，在外部電源為其供電時(shí)，電子將經(jīng)由外部電路從正極移至負(fù)極，鋰離子將從正極脫嵌進(jìn)入電解液中，穿過隔膜上的小孔向負(fù)極移動(dòng)，與電子相融合。放電過程反之。

正常工況下，鋰離子電池僅存在鋰離子在正負(fù)極間的脫嵌反應(yīng)，無不可逆的離子損失。但是，運(yùn)行中電池時(shí)長(zhǎng)副反應(yīng)，會(huì)引致一定的不可逆損耗，且會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)以及工況循環(huán)逐漸累積，降低電池性能，縮短其使用壽命，并影響插電式混合動(dòng)力汽車的整車性能。

在室溫狀態(tài)下對(duì)插電式混合動(dòng)力汽車中經(jīng)過多次充放電循環(huán)的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行內(nèi)阻與容量測(cè)試，并與同型號(hào)新電池比較，結(jié)果如表1所示。

根據(jù)上式，老化與新電電池比較，前者在單次循環(huán)中放出的能量減少要多于其容量的減少。對(duì)于圖2的CD段，若能量管理策略未考量電池衰減及壽命因素，其實(shí)施效果較差。設(shè)定汽車行駛距離與工況均不變，分析壽命周期內(nèi)電池性能的衰減對(duì)汽車經(jīng)濟(jì)性的影響。依據(jù)能量守恒定律，電池充放電循環(huán)過程中車輛所需能量E_req是一個(gè)恒定的值，有：

設(shè)電池放電效率與電機(jī)效率一定，在工作狀態(tài)下，電池由SOC_max降至SOC_min水平提供的能量Ebatt亦是恒值，故該環(huán)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)所需提供能量同樣是恒值。

在電池性能衰減下，其所提供的能量是逐漸減少的，若控制策略設(shè)計(jì)不當(dāng)，電池會(huì)在汽車駕駛循環(huán)未結(jié)束時(shí)便達(dá)到SOC_min，車輛進(jìn)人圖2的cs段運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)效率較低，這不利于車輛的經(jīng)濟(jì)性能。

在插電式混合動(dòng)力汽車中，電池SOC是一個(gè)重要參數(shù)，而電池性能的衰減會(huì)影響SOC的估算精度。若估算誤差過大，可能引致電能利用不充分或超出SOC預(yù)設(shè)值，且無法識(shí)別電池組中各單體電池間性能差異，抑制充電均衡性，加速電池循環(huán)壽命的衰減，進(jìn)一步降低車輛經(jīng)濟(jì)性。

3鋰電池生命周期內(nèi)性能衰減的影響因素