电动汽车用铅酸电池的探索与实践

陈胜洋,周龙瑞,刘孝伟,陈体衔

(1.超威新能源技术研究院,浙江湖州 313100; 2.超威电源有限公司,浙江湖州 313100)

铅酸电池具有性能可靠、成本相对较低及原材料可循环利用等特点,可用作小型中低速(30～80 km/h)、短途(约120 km)电动汽车(EV)的动力能源。

人们对设计、检测和评估EV用铅酸电池性能进行过许多研究[1-3]。本文作者从低速EV实际城市路况运行工况的要求出发,通过实测数据,阐述EV对铅酸电池的要求。

1 实验

1.1 动力型阀控胶体密封铅酸电池组的制备

将气相二氧化硅(德国产,CP)、硫酸(湖州产,AR)、羧甲基纤维素钠(国药集团,CP)和去离子水(自产)按质量比1.50∶44.00∶0.05∶54.45 混合,用 FA25 型高速剪切机(上海产)以10 000 r/min的转速搅拌40 min,分散混匀,配制成密度为1.320～1.340 g/ml(25℃)的胶体电解液。在超威电源有限公司生产线上组装12 V/120 Ah电池,7片正极板、8片负极板,采用隔板厚度为0.6 mm的双片包正极板,用VGF-62型真空灌胶机(南京产)灌到12 V/120 Ah电池中,每单格灌胶量为1 200 ml,补充电后抽取多余的电解液。

1.2 铅酸电池组的容量及充放电性能测试

用μ C-XCF型电池循环充放电测试仪(张家港产)检测电池的容量,用 LRH-250CB高低温箱(上海产)控制温度。

充电限压温度补偿试验:在50℃、10℃、25℃、30℃、-20℃下以 20 A的电流充电12 h,记录数据。50℃的充电限压为 13.8 V、14.0 V、14.2 V;10～30℃的充电限压为14.5 V、14.7 V、14.9 V;-20℃的充电限压为 14.8 V、15.0 V、15.2 V。

放电终止电压试验:在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃下,分别以 20 A、40 A、80 A、120 A、240 A、360 A和 540 A的电流放电,记录不同温度不同倍率放电的终止电压。

在25℃下,考察不同电流放电的放电时间;以40 A放电,对比不同温度(θ)下的容量Cθ与25℃下的容量C25。

1.3 EV的路试检测

将72 V/120 Ah(由6只12 V/120 Ah电池串联而成)电池组安装到EV[Ⅰ(杭州产,额定功率为 6.3 kW)、Ⅱ(金华产,额定功率为5.5 kW)]上,用便携式整车数据自动记录仪(杭州产)记录实际运行的电流、电压、功率和时间。

2 有关标准要求

QC/T 742-2006《电动汽车用铅酸电池》[4]的重要指标有:3 h容量(I3放电)、高倍率放电(3I3、9I3放电)、-20 ℃低温容量(6I3、I3放电)、循环耐久能力(1.5I3放电)、快速充电(6I3充电)等,I3为平路低速运行电流,3I3、6I3为平路最高速度行驶和爬坡电流,6I3、9I3为起步加速和越坎电流。

GB/T 18332.1-2009《电动道路车辆用铅酸电池》[5]增加了峰值功率的指标(对于12 V电池,要求≥0.2C3kW)。

GB/T 18386-2005《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[6]中规定的续驶里程是指EV在电池完全充电态下,以一定的工况连续行驶的最大距离(km);能量消耗率是指EV经过规定试验循环后,电池再充电需要的电网供电能量除以续驶里程所得的值(Wh/km)。该标准给出了模拟城市路况中EV实际的运行情况,电池只有在满足该试验条件下所取得的续驶里程,才具有实用性和可比性,满足该试验条件下的电池循环寿命,才更接近真实的使用寿命。

3 铅酸电池的各项要求

3.1 能量要求

市区行驶车速的一个基本循环如图1[6]所示。

从图1可知,一个基本循环的耗时为195 s,平均速度为18.77 km/h,行驶里程为1.017 km。电池可模拟此工况给出对应的功率输出,作为一个基本循环,直至寿命结束,所得循环次数和总行驶里程才更接近实际。电池能量输出可表示为恒流或恒功率放电的时间,电能输出转化做功后,可表示为EV的续驶里程,高能量意味着更长的续驶里程。

基于以下假设:EV的额定功率Pnor=6 300 W,总质量m=1 000 kg,最大速度vmax=13.89 m/s(50 km/h)。

图1 市区行驶车速一个基本循环Fig.1 A basic cycle test at urban traffic speed

EV在vmax时,拉力F(N)与阻力f(N)相等,计算公式见式(1):

若不考虑f随速度v(m/s)的变化,则有式(2)、(3):

式(2)、(3)中:a为加速度(m/s2),P为即时功率(W)。

由上述公式可计算出功率随EV速度的变化。

模拟市区工况的电池组功率输出曲线见图2。

图2 模拟市区行驶车速一个基本循环的功率-时间曲线Fig.2 The P-t curve in a basic cycle test simulating urban traffic speed

电池组可根据图2的数据进行多阶段变功率放电循环,持续基本循环至不能在规定时间内达到要求的功率输出或恒功率段持续时间达不到要求时,累计的行驶里程即为单次充电续驶里程。电池充电后再持续基本循环至单次充电行驶里程低于初始值的70%,总的行驶里程即为电池寿命。

3.2 功率要求

电池功率代表了速度、加速性能、爬坡能力,高功率意味着加速性能好、爬坡能力强。

实验测得的EV的速度和电池放电电流见表1。

从表 1可知,EV平路行驶,匀速时的电流比I3稍大,但起步和越坎电流均在6I3以上。

表1 EV实测运行参数 Table 1 The running data of electric vehicle by experimental

EV(Ⅱ)在市区工况实际运行的电流-时间曲线见图3。

图 3 EV(Ⅱ)在市区工况实际运行的电流-时间曲线Fig.3 The I-t curves of EV(Ⅱ)practical operated under urban traffic

从图3a可知,在11 min(660 s)的市区道路运行当中,每次加速都有一个峰值电流,且峰值电流在150 A以上的多达13次,平路匀速运行电流(约50 A,250-280 s的平台)不能代表电池要承受的功率输出。实际峰值电流比平路匀速电流大,考察电池循环寿命,应以实际或模拟实际工况的功率输出为准。从图3b可知,踩下加速踏板后电池输出电流很快增加,约6 s到达峰值,然后下降,松开踏板后电流降为0 A。

EV(Ⅱ)在市区工况实际运行的功率-时间曲线见图4。

图 4 EV(Ⅱ)在市区工况实际运行的功率-时间曲线Fig.4 The P-t curve of EV(Ⅱ)practicaloperated under urban traffic

从图4可知,在11 min(660 s)的市区道路运行当中,超过10 kW的运行输出峰值功率多达13次,寿命试验需模拟实际功率输出,才能正确评估电池的寿命,电池设计应充分考虑峰值功率。图2模拟得出的峰值功率比EV(Ⅱ)实际测试的稍小,目前一般EV整车厂设计的峰值功率为额定功率的2倍,电池测试时可适当严格,如用1.2倍的保险系数。

12 V/120 Ah电池的电流-时间关系曲线见图5。

图5 12 V/120 Ah电池的电流-时间关系曲线(25℃)Fig.5 The I-t relation curve of 12 V/120 Ah battery(25℃)

图5中,I3～3I3范围内的斜率(即peukert系数)较小,3I3～9I3范围内的peukert系数较大。peukert系数大,说明电池对放电电流的敏感性强;peukert系数小,说明电池大电流放电能力强,输出功率大。在市区工况基本循环中,循环次数较多,电池一次充电续驶里程远,即放电程度较深,不利于电池的循环性能,因此,电池设计中需重点考虑合适的peukert系数。针对高功率放电的要求,可考虑设计汇流排直连结构、铜端子内嵌式结构。与超级电容器联合使用,以提高电池组的功率特性、能量效率及寿命,也是较好的技术路线。

3.3 环境温度的适应性和耐老化性能

提高电池的低温放电性能也是研究EV用铅酸电池的重要课题。12 V/120 Ah电池容量与温度的关系见图6。

图6 12 V/120 Ah电池容量与温度的关系Fig.6 The relation between capacity and temperature of 12 V/120 Ah battery

胶体电解液可提高电池的低温放电容量。能否提高低温环境下电池的续驶里程,还需研究低温下的高倍率放电性能,最好能在低温下按图2进行模拟变功率放电试验。

对于电池耐老化的要求,一般来说电池容量降低到标称容量的80%就算寿命结束;在市区工况下试验,应维持电池一次充电行驶里程不低于新电池的70%为好。

3.4 电池组的使用寿命

文献[5]关于电池循环寿命的试验方法,难以正确反映电池的实际使用寿命,因为市区工况下电池实际输出电流的倍率及频率,远远超出标准的要求。应找出与市区工况更为接近的放电循环模式来评估电池的使用寿命。

电池的循环寿命除了与电池的铅膏配方、装配设计及制造工艺等有关外,电池组(低速、短途EV一般为72 V电池组)由较多的单体电池串联而成,单体电池的一致性也很重要。分析电池单体之间的一致性并采取有效措施来提高一致性,也是一大难题。胶体电解液的正确使用,可提高单体电池的一致性,应加强对胶体电解液的应用研究。

EV用铅酸电池多为阀控密封铅酸电池,正确的充电方法对延长电池的使用寿命很重要。正确的充电应是饱而不过,容量变、温度变,相应的充电方法也应该改变。如何准确地判断容量、温度的改变,从而采用不同的充电模式,是值得研究的课题。在目前的条件下,充电限制电压及温度补偿模式是有必要的。对电池组进行不同温度和不同充电电压下充电效率的研究,得出电池组的充电限制电压与温度的关系见图7,对电池组进行不同温度下不同放电倍率的研究,得出放电限制电压的设定及放电电流和温度的关系见表3。

图7 电池组充电限制电压与温度的关系Fig.7 The relation between charge limit voltage and temperature of batteries

表3 单体电池放电限制电压及与放电电流、温度的关系Table 3 The relations between discharge limit voltage and discharge current,temperature

一般来说,放电终止电压与放电电流、温度有关,并直接影响电池的放电深度,对电池使用寿命有很大的影响,因此要加以严格控制。如有意识地将限制电压设置提高,对防止因单体电池不一致而导致的电池组失效,会大有好处。

目前,EV电池组多为72 V系统,单体电池相对较多,需开发电池管理系统(BMS)。BMS要对每只单体电池的荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)进行实时监控及管理,并采用不同的充放电模式,尽量保持各单体电池最佳的性能状态,从而避免单体电池不一致导致的电池组循环寿命过早结束。

4 结束语

根据EV市区行驶车速一个基本循环,推导计算出对应的电池一个基本循环的功率输出,使得测试更符合实际情况。EV路试实验测得实际输出峰功率一般为额定功率的3倍以上。EV要求电池组具有高功率、高能量、良好的环境适应性、较长循环寿命等性能,电池技术工作者应围绕这些方面进行深入研究,以提供适用的EV用铅酸电池。

致谢:感谢超威公司总裁周明明对本研究项目的大力支持和新能源研究院马永泉工程师、徐伟良工程师、蒋林林工程师、沈浩宇工程师及陈建山助理工程师的帮助。

[1]LIU Lei(刘磊).电动汽车蓄电池性能仿真与试验[D].Wuhan(武汉):Wuhan University of Technology(武汉理工大学),2005.

[2]GUI Chang-qing(桂长清).电动车用铅酸蓄电池[J].Battery Bimonthly(电池),1999,29(1):31-33.

[3]GONG Xue-geng(宫学庚),QI Bo-jin(齐铂金).电动车电池的均衡控制的建模与分析[J].Battery Bimonthly(电池),2005,35(1):37-38.

[4]QC/T 742-2006,电动汽车用铅酸电池[S].

[5]GB/T 18332.1-2009,电动道路车辆用铅酸电池[S].

[6]GB/T 18386-2005,电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法[S].