基于电池内阻特性的电动汽车放电模式研究

2016-04-05许铀，杨勇

电源技术 2016年6期

关键词：动力性内阻油门

许铀，杨勇

(广东技术师范学院汽车学院，广东广州510635)

基于电池内阻特性的电动汽车放电模式研究

许铀，杨勇

(广东技术师范学院汽车学院，广东广州510635)

电流、温度大小会影响电动汽车锂离子动力电池组放电的效率及电池组一致性，其本质是电池内阻本身固有特性所致。通过研究锂离子动力电池组在不同温度、不同放电电流下的内阻变化，建立电池内阻变化图谱，分析不同温度、电流对电池输出能量的影响。根据电池内阻特性，结合整车动力性及经济性，将电动汽车放电策略分为可供选择的三种模式：动力模式、经济模式及限制模式。通过电动汽车续驶里程及放电能量的对比测试，比较所提出的各种模式的优缺点。实验证明，根据不同路况及使用需求，采用不同的放电模式，可以保证整车动力性，延长电池寿命，提高整车续驶里程。

锂离子动力电池组；电池内阻；放电电流；温度

为摆脱石油资源依赖及减少传统汽车尾气排放污染，纯电动汽车的研究与开发逐渐受到各国的重视。纯电动汽车由动力电池、电机和电控系统三大关键部件组成，其中电池是电动汽车的核心技术[1]。和燃油汽车相比，动力电池的比容量、比功率仍然比较低，导致电动汽车续驶里程受限于有限的动力电池能源。为提高电动汽车续驶里程，整车控制策略可以从两大方面考虑：(1)驱动高效化。通过提高电机运行效率，减少传统系统上能源损耗进而提高驱动效率，如文献[2]利用模糊控制的方法，开发了纯电动轿车的控制策略；文献[3]开发了加速踏板信号处理模块、驱动模式识别与转换策略和各模式控制策略组成的整车驱动控制策略；文献[4]以整车动力性和经济性为目标，提出了电动汽车电机与传动系统参数的匹配方法。(2)能源优化管理及高效利用，在充电过程中能尽可能让电池组获得更多的能源[5-6]，在整车运行过程中，能让电池组放出更多的能量。事实上，动力电池组的特性与放电电流、温度相关，在整车运行过程中，若没有充分地考虑上述因素，整车电池电压会迅速下降至放电截止电压，导致续航里程缩短甚至影响电池寿命。

本文通过分析不同温度、不同放电电流对电池的影响，绘制动力电池内阻变化图谱，结合放电电流与内阻关系，考虑输出电流与油门踩踏深度之间的关系，对整车放电模式进行优化分类。最后通过整车里程对比实验，验证各种放电模式的有效性。

1 电动汽车电池放电特性及电池内阻图谱评测方法

电动汽车磷酸铁锂动力电池放电过程实际上是Li+从石墨电极脱离，透过隔膜进入LiFeO4中，电子则经过集电体和外围电路到达正极。在讨论电动汽车电池放电特性之前，先对几个概念进行定义：

(1)电池平衡电动势，指的是电池体系处于未充放电状态时，内部化学反应相对静止的电动势；

(2)工作电压，指的是电池在充放电或者静止过程中，其正负极两端的电压值；

(3)SOC值，指的是电池的剩余电量相对电池所能放出最大电量的百分比值。

磷酸铁锂电池在放电之后，其电池两端电压变化有如下特性：在放电后短时间内(通常是5min以内)，电池电压急剧上升，然后在相当长的一段时间内，电池电压才慢慢恢复到电池的平衡电势上。这种现象称为电池极化，实际是电池材料及内部极化等原因所导致，对外表现为电池的等效内阻。

通常，电池内阻与电池的工作电压与平衡电动势之间的压差、放电电流大小存在一定的关系。文献[7]通过测试表明在低温下，电池的充放电性能显著下降，充放电内阻显著增大，电池一致性变差。因此，电池内阻在整个放电过程中并不是一个稳定量，而是与SOC值、放电电流、温度相关的变量。研究放电过程中的内阻特性，有利于电动汽车使用过程中能量输出规律的获得，进而为整车放电策略提供指导。

1.1 电池内阻计算方法

建立电池等效内阻方程：

1.2 相同温度不同放电电流下电池内阻特性

磷酸铁锂电池在不同放电电流下的内阻有如下的变化特性：在放电末期，大电流下电池内阻升高较小电流要快，大电流放电放出的电量比小电流放出的少。由于电流输出与油门踩踏、实际路况相关，这种现象会导致驾驶员不同驾驶习惯下整车的续驶里程有所不同，特别是在末期过程下，大电流放电还可能使电池受损。

对内阻进行检测，可以采用如下步骤：

(1)将电池放入有一定温度的温箱中，静置一段时间保证电池极柱温度同温箱温度相当；

(4)保持静置状态90min；根据式(1)计算电池等效内阻，绘制曲线，同时记录不同放电电流下电池放出的电量。

测试过程调整放电电流，获得不同电流下电池内阻变化曲线及放电电量。

1.3 相同放电电流不同温度下电池内阻特性

电池特性也受温度影响，为检测其特性，对110 Ah单体电池放置于温箱中，进行如下步骤测试：

(2)执行1.2节测试步骤(2)～(4)，放电电流选择0.5。

测试过程温度分别设置为40、30、20、10、0、-10、-20℃，可得相同电流不同温度下电池内阻变化曲线及放电电量，如图1和图2所示。可见，温度越低放出的电量越少，这种情况会导致在低温情况下，若不对电池进行加温措施，整车续驶里程会受到很严重的影响。

图1 不同温度下内阻-SOC曲线

图2 不同温度下放出电量对比

1.4 电池内阻图谱描述方法

结合上述，可通过图谱的方式描述电池组内阻特性，其方法及步骤如下：

(1)考虑电池一般性，需采用某一同类型、安时数相同、相同批次的个全新电池，分别对其充满电，并将其串联放置于恒定温度环境下，静置一段时间保证电池内部温度同温度相当；

(4)保持静置状态90min；为描述电池内阻一般性，将放电过程电池组平均内阻作为整组电池内阻的代表，绘制曲线；

2 基于内阻特性的整车放电模式

根据电池内阻受温度、电流影响的变化规律，可以建立一套放电模式，以达到保证整车动力性，增加电池输出电量，提高整车续驶里程及延长电池寿命的目的。

2.1 可持续最大理想放电电流

根据本文1.2节可知，放电电流越大，内阻升高的拐点所对应的SOC值越大，电池电压会越快到达截止电压而使电源停止供电。根据这种规律，对可持续最大理想放电电流进行定义：在特定的SOC值范围内，保证电池内阻不会大幅度增大时电池所能接受的最大放电电流。因此可建立电池可持续最大理想放电电流表达式：

电池内阻大幅度升高位置，可以通过斜率最大值方法求得：

利用不同电流下内阻变化规律图谱，可以拟合可持续最大理想放电电流变化曲线，如图3所示。根据图3可知，若将放电电流限制在最大理想放电电流曲线以下，则可以减缓电池内阻增大，提高电池放电能量及整车续驶里程。

图3 基于内阻特性的最大理想放电电流范围

2.2 油门踩踏深度与放电电流的关系

由于整车动力性与放电电流存在一定的关系，过分地对电流进行限制，会直接影响整车的动力性。电流的输出情况，必须充分地考虑整车行驶路况以及载荷的情况。一般情况下，由于整车其他用电器的功率相对电机来说小了很多，可以近似地认为油门踩踏深度δ与放电电流大小存在正比的线性关系：

2.3 基于内阻特性的放电模式研究

鉴于整车的动力性以及电池可持续最大理想放电电流情况，对油门踩踏深度与放电电流关系进行优化，可将电动汽车放电策略分为三种模式。

(1)动力模式：不考虑放电电流对电池内阻的影响，油门踩踏深度与放电电流关系与式(6)相近似。

(2)经济模式：考虑放电电流对电池内阻的影响，在一定油门踩踏深度下将输出电流控制在最大理想放电电流内，而当踩踏深度超过限制范围时，输出电流会随着踩踏深度增大而增大，保证整车动力性。

(3)限制模式：考虑最大理想放电电流随SOC值而变化，在不同的SOC值下，将输出电流限制在最大理想放电电流内。

上述三种模式下，其油门踩踏深度与放电电流的关系如图4所示。其中，动力模式下油门踩踏深度和输出电流关系式如式(6)所示；经济模式下油门踩踏深度和输出电流关系式如式(4)所示；限制模式下油门踩踏深度和输出电流关系式如式(8)所示。

图4 各模式下油门踩踏深度与放电电流关系

通过上述放电模式，可为用户不同的驾驶需求提供选择，一方面保证整车动力性，同时也能保证整车经济性，提高续驶里程。

2.4 经济模式下电流输出控制

经济模式下，由于油门踩踏深度与电流输出为以δ0为临界点的分段函数，当油门踩踏深度在δ0变化时，输出电流波动可能很大，这会影响安全舒适性。

实际运行中，电流的输出并不是立即与油门踩踏深度相对应，而是在短时间内呈现一定的延迟，如图5(a)所示。本文采用以下方式对电流响应因子进行改进：

通过改进电流响应因子，将电流输出改为缓慢变化的方式，如图5(b)所示，延长电流输出响应时间，提高驾驶舒适性和平稳性。

图5 电流输出控制

3 实验结果与分析

为验证本文方法的可靠性，依托东莞中山大学研究院研发的FDG6601纯电动中巴车(图6)进行了测试。

图6 FDG6601纯电动中巴

该中巴上安装了上述所测试的110 Ah、100串磷酸铁锂电池包，根据本文1.4节所述方法绘制内阻图谱。其中，放电电流为1、0.7、0.5、0.4、0.3，温度为-20、-10、0、10、20、30、40℃。通过测试，获得电池内阻图谱，如图7所示。

根据内阻图谱，绘制可持续最大理想放电电流，如图8所示。

图7 电池内阻图谱

图8 整车可持续最大放电电流

对整车进行续驶里程对比测试，步骤如下：

(1)对整车进行充电，将电池充满；

(2)按照实际路况，在动力模式下对整车进行行驶测试，将整车电量用完，记录跑完所用的能量以及整车的续驶里程；

(3)再次对整车进行充电，将电池充满；

(4)根据图8，分别采用本文所提出的经济模式和限制模式修改整车放电控制策略，按照实际路况，对整车进行行驶测试，将整车电量用完，记录跑完所用的能量以及整车的续驶里程；

(5)重复步骤(1)～(4)10次，比较三种模式的优越性。

通过实验后，本文所提出的三种放电模式在测试过程中的放电能量及整车续驶里程对比如图9、图10所示。

从图9和图10可知，动力模式放电能量较少，整车续驶里程较短，但是动力性较好；限制模式放电能量较多，整车续驶里程较长，但动力性能最差；而经济模式则在介于动力模式和限制模式之间，一方面既能保证整车动力性，另一方面也能在一定程度上控制输出电流，提高续驶里程。实际使用过程中，对于载荷加大、路况较复杂等情况下，驾驶员采用动力模式，可以保证整车的有效动力；在载荷不大、路况稍微简单些的情况下，驾驶员采用经济模式，在上坡、起步等情形可以保证整车动力性，一般过程下则保证了电流输出符合可持续最大理想放电电流，提高整车续驶里程；在载荷小、路况良好的情况下，选择限制模式，可以保证电流输出始终符合可持续最大理想放电电流，最大限度地保证电池能量输出，做到整车续驶里程最大化。

图9 放电能量对比

图10 续驶里程对比

4 结论

本文通过分析电动汽车锂离子动力电池内阻与放电电流、温度的关系，提出电动汽车电池内阻图谱描述方法。考虑电池内阻与放电电流、SOC的关系，总结出电池可持续最大理想放电电流曲线，结合油门踩踏深度与放电电流关系，将整车放电策略分为三种模式。通过不同模式下的续驶里程及放电能量的对比测试，验证了本文方法的有效性。该方法给驾驶员提供了电动汽车动力性和经济性的放电模式选择，兼顾了整车动力性和经济性，增加了放电能量，提高了整车续驶里程，可为电动汽车整车控制策略提供一种新方法，具有一定的理论价值和现实意义。

[1]庄幸,姜克隽.我国纯电动汽车发展路线图研究[J].汽车工程,2012, 34(2):91-97.

[2]王佳,杨建中,蔡志标,等.基于模糊控制的纯电动轿车整车优化控制策略[J].汽车工程,2009,31(4):362-365.

[3]黄万友,程勇,纪少波,等.基于最优效率的纯电动汽车驱动控制策略开发[J].汽车工程,2013,35(12):1062-1067.

[4]胡明辉，谢红军,秦大同.电动汽车电机与传动系统参数匹配方法的研究[J].汽车工程,2013,35(12):1068-1073.

[5]徐智威,胡泽春,宋永华,等.充电站内电动汽车有序充电策略[J].电力系统自动化,2012,36(11):38-43.

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[7]雷治国,张承宁,李军求,等.电动车用锂离子电池低温性能研究[J].汽车工程,2013,35(10):927-933.

Study on discharging modes of electric vehicle based on lithium-ion battery resistance performance

The discharging efficiency and consistency of electric vehicle lithium-ion battery can be affected by the current and temperature, and the reason for the phenomenon is that the resistance of battery is affected by the current and temperature.The changing of resistance at different current and temperature was studied,and the battery resistance map was established,and the battery output energy at different current and temperature was analyzed.According to the dynamic characteristic and economy,the discharging strategies of electric vehicle were divided into three modes:dynamic mode,economic mode and limit mode.The electric vehicle driving tests were carried out and the different modes were compared in the experiments.The results show that the proposed method can improve the dynamic characteristic,energy efficiency and extend the battery life.

lithium-ion battery;resistance;discharging current;temperature

TM 912

1002-087 X(2016)06-1180-05