電動汽車不同種類電源特性對比

2023-09-01 01:18:18史江昆申彩英

北京汽車 2023年4期

史江昆，申彩英，陳鑫

Shi Jiangkun，Shen Caiying，Chen Xin

（遼寧工業大學汽車與交通工程學院，遼寧錦州 121001）

0 引言

相比傳統燃油汽車，電動汽車因具有無污染、低噪聲、經濟性良好等優勢迅速崛起并逐漸被大眾接受[1]。隨著電動汽車的迅猛發展，動力電池由原先鉛酸電池、鎳氫電池逐漸被鋰電池替代。現階段電動汽車的電源主要為三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、超級電容器等[2]，主要參數見表1。

表1 不同電源的主要參數

比能量方面，鋰電池相比超級電容器具有很大優勢；比功率和循環壽命方面，超級電容器優勢明顯。鋰電池低溫適應能力差、比功率低、電池壽命短等問題已嚴重限制電動汽車的發展[3-4]。為了彌補鋰電池比功率低和循環壽命短等問題，考慮采用超級電容器作為輔助電源。為了直觀反映鋰電池和超級電容的性能優勢，本文選取磷酸鐵鋰電池和超級電容器作為試驗對象，分別進行電源特性測試。

1 試驗安排

1.1 試驗對象

試驗選用方形磷酸鐵鋰電池，如圖1 所示，具體參數見表2。

圖1 磷酸鐵鋰電池

表2 磷酸鐵鋰電池的主要參數

超級電容器如圖2所示，具體參數見表3。

圖2 超級電容器

表3 超級電容器的主要參數

1.2 試驗設備

試驗設備包括1 臺可以發送編程指令的上位機、1 臺可以實時接收并編譯和傳輸上位機指令的中位機、1 臺可以實時采集電池電壓、電流以及溫度等數據的高性能電池檢測系統，以及1 臺可以控制電池溫度及濕度的濕熱試驗箱，硬件設備連接如圖3所示。

圖3 試驗設備

2 磷酸鐵鋰電池特性測試

為避免試驗的偶然性，選取4塊同規格磷酸鐵鋰電池，采用單一變量試驗方法，分別進行不同溫度、不同放電倍率、最大容量的測試，取4塊電池試驗數據的平均值作為每項試驗的最終結果。

2.1 溫度特性

將電池充滿電靜置1 h，根據試驗需求將環境溫度設置為特定值，當電池單體溫度與環境溫度相差不超過1 oC時，將電池以1 C電流進行放電，當端電壓達到放電截止電壓2.5 V時，結束試驗并記錄數據。電池在不同溫度下放電曲線如圖4所示。

圖4 不同溫度下電池放電曲線

從圖4 可以看出，當放電倍率一定時，隨著溫度升高，放電時間逐漸加長。50 ℃時放電時間最長，－20 ℃時放電時間最短，這表明在一定放電倍率下，磷酸鐵鋰電池的低溫適應能力差。

2.2 放電倍率特性

將電池充滿電靜置1 h，設置環境溫度為20 oC，當電池單體溫度與環境溫度相差不超過1 oC時，以設定的不同放電倍率對電池進行放電，當端電壓達到放電截止電壓2.5 V時，結束試驗并記錄數據。電池在不同放電倍率下的放電曲線如圖5所示。

圖5 不同放電倍率下電池放電曲線

從圖5 可以看出，溫度一定時，隨著放電倍率增加，放電時間逐漸縮短。0.2 C時放電時間最長，3 C 時放電時間最短。在高倍率放電情況下，電池電壓迅速下降至截止電壓，放電結束。由于放電時間短，靠近極板的電解液濃度與遠離極板的濃度相差較大，導致放電容量減少。圖5 間接表明在一定溫度下對磷酸鐵鋰電池進行大電流放電時會使放電容量明顯減少[5]。

2.3 最大放電容量特性

將電池充滿電靜置1 h，根據試驗需求，設置放電倍率和環境溫度分別為預期數值，當端電壓達到放電截止電壓 2.5 V 時，結束試驗并記錄數據。電池在不同放電倍率、不同溫度下的放電曲線如圖6所示。

圖6 不同放電倍率和溫度下電池放電容量

結合圖5、圖6 可以看出，當溫度低于20 ℃且恒定時，電池放電容量與放電倍率負相關；從圖6 可以看出，當溫度為－20～20 ℃且放電倍率恒定時，電池放電容量與溫度正相關；當溫度為30～50 oC時，放電倍率對電池放電容量的影響非常小，幾乎可以忽略。

3 超級電容器特性測試

為避免試驗的偶然性，選取4 塊同規格超級電容器，采用單一變量試驗方法，分別進行不同溫度、不同放電電流、最大能量的測試，取4 塊超級電容器試驗數據的平均值作為每項試驗的最終結果。

3.1 溫度特性

將超級電容器充滿電靜置1 h，根據試驗需求將環境溫度設置為特定值，當超級電容器溫度與環境溫度相差不超過1 oC 時，對超級電容器以10 A電流進行放電，當端電壓達到0.1 V時，結束試驗并記錄數據。超級電容器在不同溫度下放電曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下超級電容器放電曲線

從圖7 可以看出，放電電流一定時，隨著環境溫度升高，超級電容器放電時間的波動很小，表明超級電容器能夠很好適應溫度變化；與磷酸鐵鋰電池放電曲線不同，在一定溫度下，超級電容器放電電壓與時間呈線性關系。

3.2 放電電流特性

將超級電容器充滿電靜置1 h，設置環境溫度為20 oC，當超級電容器溫度與環境溫度相差不超過1 oC 時，以設定的不同恒定電流對超級電容器進行放電，當端電壓達到 0.1 V 時，結束試驗并記錄數據。超級電容器在不同放電電流下放電曲線如圖8所示。

圖8 不同放電電流下超級電容器放電曲線

從圖8 可以看出，溫度恒定時，超級電容器的放電時間與放電電流負相關，這表明在一定溫度范圍內，放電電流對放電時間影響較大。

3.3 最大放電能量特性

將超級電容器充滿電靜置1 h，設置環境溫度為20 oC，當超級電容器溫度與環境溫度相差不超過1 oC時，對超級電容器以10 A電流進行放電，當端電壓達到0.1 V時，結束放電；將超級電容器擱置10 s，再以10 A恒定電流進行充電，當端電壓達到2.7 V時立即以恒定電壓充電30 s，之后結束充電。超級電容器的能量隨時間變化曲線如圖9所示，電容器先進行放電，之后靜置10 s再進行充電。

圖9 超級電容器能量變化曲線

從圖9 可以看出，放電過程中，超級電容器釋放能量的速度逐漸變慢，充電過程中，超級電容器吸收能量的速度逐漸加快，這表明超級電容器在制動過程中可以快速吸收回饋電流[6]。

將超級電容器充滿電靜置1 h，設置環境溫度分別為－20、－10、0、10、20、30、40、50 oC，當超級電容器溫度與環境溫度相差不超過1 oC時，對超級電容器以10 A 電流進行放電，當端電壓達到0.1 V 時，結束試驗并記錄數據。超級電容器在不同溫度下放電能量如圖10所示。

圖10 不同溫度下超級電容器放電能量

從圖10可以看出，－10 oC時超級電容器放電能量最少，為2.918 3 Wh，30 oC時放電能量最多，為3.131 4 Wh，不同溫度下放電能量雖然不同，但差異率不足8%，表明溫度對放電能量影響不大。

將超級電容器充滿電靜置1 h，設置環境溫度為20 oC，當超級電容器溫度與環境溫度相差不超過1 oC 時，對超級電容器分別以2、5、8、10、20、30 A 恒定電流進行放電，當端電壓達到 0.1 V 時，結束試驗并記錄數據。超級電容器在不同放電電流下放電能量如圖11所示。

圖11 不同放電電流下超級電容器放電能量

從圖11 可以看出，放電電流為8 A 時超級電容器放電能量最多，為3.217 1 Wh，放電電流為30 A 時放電能量最少，為3.122 4 Wh，不同放電電流下放電能量雖然不同，但差異率不足4%，表明放電電流對放電能量影響不大。

綜上所述，通過分析磷酸鐵鋰電池與超級電容器試驗數據發現：（1）在相同放電電流下，磷酸鐵鋰電池低溫適應能力差，超級電容器能夠很好適應溫度變化；（2）在相同溫度環境下，磷酸鐵鋰電池和超級電容器的放電時間與放電電流具有負相關關系；（3）在特定條件下，溫度或電流對超級電容器的放電能量影響較小，對磷酸鐵鋰電池的放電容量影響較大。