电动汽车动力电池检测与试验方案的研究

2015-05-23郭晓君

电气技术 2015年1期

徐煌王武郭晓君

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108； 2. 福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

在全球能源危机与环境污染日益加重的今天，电动汽车已成为未来汽车工业发展方向之一。电动汽车作为一种绿色交通工具，具有“零排放”的优点，是公认的一种节约能源和改善环境的有效途径。电动汽车作为新兴战略产业之一，是国家新能源发展战略的重要组成部分[1]。

进入21 世纪以来，电动汽车在经济性和汽车性能方面取得了很大的进步，车辆的需求也在日益壮大。目前，欧美、日本等发达国家和地区已经围绕电动汽车的关键技术和示范运行进行大量研究和推广。近10年来，我国电动汽车技术也取得了巨大的进步。但是，动力电池依旧是电动汽车发展的瓶颈。在实际应用中，动力电池组直接影响着电动汽车的多项性能。因此，全面了解动力电池的特性，对于电动汽车的发展及应用是非常重要的。

本文将从实验室动力电池的检测以及在实际运行工况下动力电池的性能状态，对动力电池特性的试验现状做一个综合性的分析。

1 动力电池实验室检测

近年来，由于锂离子动力电池寿命长，安全性能好，成本低等优点，正越来越多地应用在电动汽车上，成为电动汽车的理想动力源。我国也已将在电动车辆和混合动力车辆上使用锂离子动力电池列入国家高技术研究发展计划和国家“十五”计划。因此本文主要针对锂离子动力电池进行检测与试验。

在实验室中，采用恒流恒压充电法以及恒流放电法对锂离子动力电池进行充放电试验。目前广泛使用的是额定电压为3.7V 的锂离子电池。文献[4]提出锂离子电池充满电时的终止充电电压与电池的阳极材料有关，石墨的阳极材料为4.2V，焦炭的阳极材料为4.1V。锂离子电池的终止放电电压为2.5～2.75V，电池终止充电电压和终止放电电压设定值直接关系到电池的容量，如果把终止充电电压设定的比较高，终止放电电压设定的比较低，电池的实际容量会比标称容量要大，电动汽车的实际续航里程也会较长，但是长期这样做会影响到锂离子电池的使用寿命，同时对电池安全性也有一定影响。

本文采用的锂离子电池，额定电压为3.7V，额定容量为100A·h，终止充电电压为4.2V，终止放电电压为2.75V。

1.1 锂离子动力电池基本充放电特性

在恒温下，对额定容量为100A·h 的锂离子电池，以0.2C 的倍率进行充放电试验[2,5-6]。锂离子电池基本充放电曲线如图1所示。图中的上半部分为锂离子电池充放电的电压曲线，下半部分为锂离子电池充放电的电流曲线。

锂离子电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法，恒流充电和恒压充电。从电动汽车实际应用的角度，恒流时间越长，充电时间越短，更有利于应用。

试验时，首先采用0.2C 的倍率对锂离子电池进行恒流充电。此时，锂离子电池的电压变化如图1中的AB 段所示。可以看出，当以恒定20A 的电流对锂离子电池进行充电时，锂离子电池两端的电压在不断上升，当上升至B 点，即到达终止充电电压4.2V时，恒流充电结束。随后，开始转为采用恒压充电法对锂离子电池继续充电。此时锂离子电池的电流变化如图1中的HI 段所示。可以看出，恒压充电电流会随着充电的进行而不断下降。待充电电流降到恒流充电电流的0.1 倍,即到达截止电流2A时，结束充电。图1中的CD 段为充电末期的静置阶段。静置是为了降低充电末期的极化。

静置后，以0.2C 的倍率对锂离子电池进行恒流放电，恒流放电阶段的电压变化曲线如图1中DF段所示。从图中可以看出，随着放电的进行，锂离子电池两端的电压不断的下降。在放电初期，锂离子电池电压基本呈现线性关系；在放电中前期电压稳定，下降缓慢；但在放电后期电压下降迅速，如EF 段所示。当放电至终止放电电压2.75V时，放电结束。由于锂电池的工作电压与电池荷电状态SOC存在密切关系，因此在锂离子电池放电后期阶段必须进行有效控制，防止电池过放电，避免对电池造成不可逆性损害。

图1 锂离子电池基本充放电曲线

1.2 不同倍率下锂离子电池充放电特性

1）不同充电倍率下的充电特性

在恒温20℃情况下，文献[7]对锂离子电池分别以0.2C、0.4C、0.8C 的倍率进行恒流充电试验。

图2是不同充电率的恒流充电曲线，表1是不同充电率的充电参数。由图2可知随着充电电流的增加，充电截止所需时间明显缩短，20A（0.2C）充电所用的时间约是80A（0.8C）的1 倍。由表1可知，随着充电电流的增加，相应的充电时间逐渐的减少，恒流可充入容量和充入能量也逐渐的减少。因此，在确保电池使用寿命及安全的前提下，并在电池允许的充电电流内，适当提高充电电流，有助于减少整体的充电时间，这对于推动电动汽车的发展有着重要的意义。

表1 不同充电率的充电参数

2）不同放电倍率下的放电特性

在恒温 20℃情况下，对锂离子电池分别以0.1C、0.3C、0.5C、1C、2C 的倍率进行恒流放电试验[2-3,5-7]。锂离子电池在不同放电率时其放电特性如图3所示。由图3中可以看出，任何一种放电率，其放电过程中，中前期曲线均平缓，电压稳定，下降缓慢。当快到达终止充电电压时，曲线向下弯曲，下降迅速。在0.1～2C 的放电率范围内，可以明显看出，当电池放电倍率选择较大时，实际放电容量明显降低。

图3 不同放电率的放电曲线

表2是不同倍率下的放电参数。由表2可知，随着放电率的增加，放电容量以及放电能量均逐渐减少。

表2 不同倍率下的放电参数

1.3 不同温度下锂离子电池充放电特性

1）不同温度下的充电特性

在不同温度下，文献[7]对锂离子电池进行以0.3C 倍率的恒流恒压充电试验，图4是不同温度下的充电曲线，表3是不同温度下的充电参数。由图4可以看出，在低温充电的情况下，与其他温度的恒流充电的时间相比，明显较短。这是由于温度的降低抑制了锂离子电池化学能和电能之间的转化过程，对锂离子电池的能量释放影响更加显著。因此结合表3可知，电池在低温充电时，充电容量和能量比常温大大降低。

图4 不同温度下的充电曲线

由表3可知，相同的截止电流，高温充电时电池的充电容量和能量相较于常温提高了约1%～3%。这是由于温度较高时，提高了电池活性物质利用率以及充电效率。但要注意的是，电池在高温充电下造成的损伤是不可恢复的。同时电池在温度过高的情况下也容易出现安全隐患，因此需要避免电池长期处于高温环境中，可适当地提高电池的环境温度，提高电池回收能量率。

表3 不同温度下的充电参数

2）不同温度下的放电特性

在不同温度下对锂离子电池进行以0.4C 倍率的恒流放电[2-3,5-7]。图5是不同温度下的放电曲线。由图5可知，随着温度的降低，电池容量百分率明显降低。在放电初期，相较于其他温度，低温（-20℃）放电时的放电电压较低，同时电池电压出现了一个明显的降落，因此放电能量较低；在放电中期，由于放电在电池内阻上消耗的能量使电池的温度升高，从而提高了锂离子电池的活性物质的利用率，电池电压增加，所以可释放能量的增加；在放电后期，电池电压偏低，单位时间放出的能量也随之降低。

图5 不同温度下的放电曲线

2 动力电池实际工况试验

由于电动汽车在实际运行的过程中会受到动力电池特性的制约和影响，因此需接受实际工况的考验，从而得知动力电池能否满足电动汽车实际运行的需要。

2.1 汽车行驶标准工况

汽车行驶标准工况[8]是指，针对某一地区交通特点，某一类型车辆的“时间-速度”历程。通过对特定型号车辆的实际行驶情况的调查，并分析处理数据建立起来的。

目前较有代表性的汽车行驶标准工况有美国FTP-75 工况、欧洲ECE-EUDC 工况和日本Japan10.15工况。本文测试使用的是我国的标准工况 GB/T 18386—2005，如图6所示。每个GB/T 18386—2005工况循环，都是由4 个基本市区循环和一个基本城郊循环组成。

图6 GB/T 18386—2005 工况循环

2.2 标准工况的循环测试

基于标准工况下的动力电池循环测试[8]，即选择动力电池样本，在恒温下利用标准工况对其进行循环放电测试，考察动力电池在标准工况下的工作特性以及动力电池的循环寿命。循环寿命是指为了衡量动力电池可以达到的最长使用时间而制定的一个性能指标。

文献[9-10]提出在实际的电池测试时，需要的是电气工况，即需要获得每秒电池输出的电功率。电动汽车实际参数生成的电气工况则可以根据标准工况计算出每秒所需要的动力电池组的输出功率，将功率除以电池的个数，便可以得到单体电池测试需要的输出功率。下表就是根据试验车型在 GB/T 18386—2005 工况下生成的单体动力电池的功率谱。