增程式电动汽车用锂离子动力电池试验研究*

田晟　李亚飞　李拾成（.华南理工大学，广州50640；.广州汽车集团股份有限公司，广州5434）



增程式电动汽车用锂离子动力电池试验研究*

田晟1李亚飞2李拾成2
（1.华南理工大学，广州510640；2.广州汽车集团股份有限公司，广州511434）

【摘要】增程式电动汽车车载锂离子动力电池的电性能直接影响整车的使用性能。为研究锂离子电池单体的充放电性能、标定开路电压曲线及不同静置时间对极化消除的影响，以INR18650-33G电芯为例，并以某款车载锂离子电池系统为试验对象，研究了锂离子电池系统的充放电特性。试验结果表明，INR18650-33G电芯具有良好的一致性，但充、放电1 h后极化现象仍不能完全消除，放电极化现象比充电极化严重；单体的一致性和系统的散热性能对整个动力电池系统的电性能有重要影响。

1　前言

增程式电动汽车（EREV）具有节油率高、不受续航里程限制等优点，被认为是传统燃油汽车与纯电动汽车之间的最佳过渡产品。动力电池技术是电动汽车发展的关键，对电池性能的研究与应用受到国内外学者的广泛关注［1～4］，国外相关研究机构制定了车用电池的测试标准和测试方法［5～7］。

相对于国外的电池测试及管理系统技术，我国虽起步较晚但发展迅速［8］，如杨阳等［9］研究了电池在不同放电倍率及不同温度条件下的充放电特性、开路电压、温升、内阻与效率特性等，同时相关研究机构也在逐步建立与完善车用锂离子电池的行业标准［10，11］。本文结合相关标准，针对某增程式电动汽车（EREV）用锂离子电池单体的充放电性能、标定开路电压曲线以及不同静置时间对极化消除的影响进行了试验分析与研究。

2　试验设备

2.1HT225-40A高低温试验箱

HT225-40A高低温试验箱主要用来控制电池单体的温度，可控温度为-40～150℃，所测试电芯质量为5 kg，如图1所示。

2.2HTH1920-40A高低温湿热试验箱

HTH1920-40A高低温湿热试验箱用来控制动力电池组的试验温度、湿度环境，其可控温度范围为-40～150℃，可控湿度范围为25%RH～98%RH，所测试电芯质量为250 kg，如图2所示。

图1　HT225-40A高低温试验箱及其控制程序界面

图2　HTH1920-40A高低温湿热试验箱及其控制程序界面

2.3MACCOR Series 4000电芯测试柜

MACCOR Series 4000电芯测试柜可测试锂离子电池单体的容量特性、内阻功率特性、循环寿命等。该设备共有16个主通道，单通道最大持续功率为250 W，充放电电流范围为250 mA～50 A，电压范围为0～5 V，可采集-120～150℃范围的温度数据，Maccor设备及其操作软件界面如图3所示。

图3　MACCOR/S4000电芯测试柜及其操作软件界面

2.4AV900电池测试设备

AV900电池测试设备可对动力电池组/电池系统进行容量、功率、循环寿命等测试。其单通道最大持续功率为250 kW，充放电范围为-500～500 A，电压范围为8～900 V，同时AV900的辅助通道还包括24个温度通道（-40～150℃）和36个电压采集通道（0～5 V），AV900电池测试设备及操作软件界面如图4所示。

3　电芯试验

3.1INR18650-33G电芯试验概述

以3只INR18650-33G电芯为试验样本（1#、2#、 3#），采用Maccor S4 000电池模拟器和HT225-40 A高低温试验箱进行充放电试验，研究锂离子电池电芯的充电容量与放电容量之间的关系，并对锂离子电池的极化消除时间进行分析。INR18650-33G电芯主要性能参数如表1所列。

图4　AV900电池测试设备及其操作软件界面

表1　INR18650-33G电芯及主要性能参数

3.2试验内容

a.标准充放电试验。在（25±2）℃的环境温度下，以0.3 C恒流将试验样本电压充至4.2 V，然后转恒压充电，至试验样本电流降至0.02 C时完成充电。将完成充电后的试验样本静置30 min以恢复电平衡，再以0.05 C恒流放电至截止电压为2.5 V，静置30 min后重复此方式充满电，记录充、放电容量。

b.充电OCV试验。将充满电的试验样本以0.5 C恒流放电至2.5 V，以标准充电方式充入5%的容量（约10 min），静置1 h并记录此过程中电压等参数的变化。按此循环20次至充满电，以0.3 C恒流补电30 min。

c.放电OCV试验。以标准充电方式将试验样本充满电，以0.5C的恒流电流放电，放出容量的5%（约10 min），静置1 h并记录此过程中电压等参数的变化。按此循环操作20次，至样本电压达到2.5 V时停止放电。

3.3试验结果与分析

3.3.1.INR18650-33G电芯充/放电容量

试验中3只试验样本的充、放电容量如表2所列。

表2　INR18650-33G电芯充放电容量　A·h

QC/T743—2006中规定的单体锂离子电池放电容量标准差δ及标准差系数Cδ的计算方法分别为：

式中，Ci为第i个电池的放出容量；C¯为n个电池单体的平均容量。

根据式（1）和式（2）可计算出该电芯的容量标准差为0.006 4 A·h，容量标准差系数为0.002 1，说明样本具有较好的一致性。

3.3.2.INR18650-33G电芯的OCV曲线

图5为静置1 h后1#、2#、3#试验样本的充、放电OCV曲线。由图5可看出，OCV曲线不是单一的线性关系，在SOC为5%～70%范围内，充、放电OCV曲线未重合，说明静置1 h后极化尚未完全消除。

图5　静置1 h后试验样本的充、放电OCV曲线

图6为1#样本在不同静置时间的放电电压回弹曲线，由图6可看出，在放电首端0～5%SOC段电压回弹曲线差异较大，放电静置30 s后电芯极化消除约65%，放电静置5 min后极化能消除约90%。

图6　1#试验样本不同静置时间的放电电压回弹曲线

图7为1#样本不同静置时间的充电电压回弹曲线，可看出在充电末端90%～100%SOC时差异较大；电芯充电静置30 s后极化消除约60%，充电静置5 min后极化可消除约80%。

图7　1#试验样本不同静置时间的充电电压回弹曲线

4　EREV车载锂离子电池系统试验

4.1试验对象

试验对象为增程式电动汽车用G-RE锂离子动力电池，如图8所示，根据空间布置分为电池A包和B包，系统额定电压为345.6 V，额定容量为38 A·h，工作电压为280.8～399.6 V，主要参数如表3所列。

图8　增程式电动汽车用G-RE锂离子动力电池

表3　G-RE锂离子动力电池主要参数

4.2试验内容

参考锂离子动力电池试验的相关标准，对EREV车用锂离子动力电池系统进行了7项试验，包括1C容量标定、13 kW能量标定、15 kW恒功率充电（0%SOC开始至充电截止）、53 kW恒功率放电（100%SOC开始至放电截止）、40 kW峰值功率充电（90%SOC）、67 kW峰值功率放电（20%SOC）、87 kW峰值功率放电（20%SOC）。试验主要设备包括电池模拟器、CANalyzer、计算机、绝缘检测仪等，试验台框架如图9所示。

图9　EREV车载锂离子动力电池系统试验台框架示意

4.3试验结果和分析

4.3.11C容量标定试验及结果分析

1C容量标定试验包括以下步骤：

a.绝缘检测；

b.恒流放空，以38 A恒流放电至电池组总电压≤250 V，静置30 min；

c.以38 A电流和387 V的电压，对电池组进行恒流恒压充电，电流≤3 A时充电截止，静置30 min；

d.以38 A进行恒流放电，至总电压≤250 V时截止，静置30 min；

e.以38 A的恒定电流对电池系统进行补电，当SOC≥35%时截止。

此项试验初始状态为：SOC=9.7%，总电压为341 V，单体电压为2.73～3.2 V，温度为26～27℃。单体电压最大值达到3.7 V时充电截止。终止状态为：SOC=96.8%，总电压为387 V、单体电压为3.46～3.7 V，温度为31～34℃。试验共用时47.55 min，充入能量为30.149 A·h。

系统初始放电状态为：SOC=92.5%，总电压为367 V，单体电压为3.35～3.41 V，温度为30～33℃，当单体电压最小值达2.6 V时放电截止。终止状态为：SOC=9.7%，总电压为331 V，单体电压为2.5～3.12 V，温度为32～36℃。放电过程共用时47.58 min，放出容量为30.106 A·h。

4.3.213 kW能量标定试验及结果分析

13 kW能量标定试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流放空，38 A恒流放电至总电压≤250 V截止，静置30 min；

c.以38 A电流和387 V的电压对电池组进行恒流恒压充电，电流≤3 A时充电截止，静置30 min；

d.以13 kW的恒定功率放电至总电压≤250 V，静置30 min；

e.以38 A恒流充电对电池系统进行补电，当SOC≥35%时截止。

此项试验初始状态为：SOC=93%，总电压为369 V，单体电压为3.35～3.45 V，温度为31～38℃，当单体电压达到最小值2.6 V时放电截止。终止状态为：SOC= 9.5%，总电压为332 V，单体电压为2.5～3.12 V、温度为33～40℃，放电共用时49.53 min。试验过程中总放电能量为10 674.6 W·h。

4.3.315 kW恒功率充电试验及结果分析

15 kW恒功率充电试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流放空，38 A恒流放电至总电压≤250 V截止，静置30 min；

c.以15 kW的恒定功率进行充电，至总电压≥387 V时截止；

d.静置30 min，完成试验。

此项试验初始状态为：SOC=9.7%、总电压为342 V、单体电压为2.67～3.21 V、温度为26～26℃，当系统总电压达到387 V时充电截止。终止状态为：SOC= 96.9%、总电压为387 V、单体电压为3.47～3.67 V、温度为31～33℃。试验共用时44.77 min，电池系统充电容量为30.471 A·h，充电能量为11 177.9 W·h。

4.3.453 kW恒功率放电试验及结果分析

53 kW恒功率放电试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流恒压充满，以38 A电流和387 V电压充电至电流≤3 A，静置30 min；

c.恒功率放空，以53 kW放电至总电压≤250 V，静置30 min；

d.以38 A恒流充电对电池系统进行补电，当SOC≥35%时截止。

此项试验用时11.53 min，初始状态为：SOC=93%，总电压为371 V，单体电压为3.36～3.48 V，温度为30～33℃，当单体电压最小值达到2.6 V时放电截止。放电终止状态为：SOC=19.5%，总电压为312 V，单体电压为2.43～2.97 V，温度为42～58℃。试验过程中电池系统的放电容量为30.623 A·h，放电能量为10 156.2 W·h。

4.3.540 kW峰值功率充电试验及结果分析

40 kW峰值功率充电试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流恒压充满，以38 A电流和387 V电压充电至电流≤3 A，静置30 min；

c.以38A恒流放电6 min，调整至90%SOC，静置30 min；

d.恒功率充满，以40 kW的恒定功率充至总电压≥387 V；

e.静置30 min，完成试验。

此项试验用时1.98 min，初始状态为：SOC=83%，总电压为362 V，单体电压为3.31～3.34 V，温度为30～39℃，总电压达387 V时充电截止。终止状态为：SOC=92.9%，总电压387 V，单体3.5～3.67 V，温度为32～41℃。试验过程中充电容量为3.473A·h，充电能量为1 316.8 W·h。

4.3.667 kW峰值功率放电试验及结果分析

67 kW峰值功率放电试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流放空，38 A恒流放电至总电压≤250 V截止，静置30 min；

c.以38 A电流恒流充电12 min，调至20%SOC，静置30 min；

d.恒功率放空，以67 kW的恒定功率放电至总电压≤250 V，静置30 min；

e.以38 A恒流充电对电池系统进行补电，当SOC≥35%时截止。

此项试验用时2.06 min，初始状态为：SOC=28.7%，总电压为356 V，单体电压为3.25～3.3 V，温度为31～33℃，当单体电压最小值达到2.6 V时放电截止。放电的终止状态为：SOC=13.6%，总电压为295 V，单体电压为2.36～2.82 V，温度为35～45℃。试验过程中电池系统的放电容量为7.312 A·h，放电能量为2 307.4 W·h。

4.3.787 kW峰值功率放电试验及结果分析

87 kW峰值功率放电试验步骤如下：

a.绝缘检测；

b.恒流放空，38 A恒流放电至总电压≤250 V截止，静置30 min；

c.以38 A恒定电流充电12 min，至20%SOC，静置30 min；

d.恒功率放空，以87 kW的恒定功率放电至总电压≤250 V时截止。

此项试验共用1.72 min，放电截止时单体电压最小值达到2.3 V。放电初始状态为：SOC=23%，总电压为356 V，单体电压为3.24～3.3 V，温度为25～28℃。放电终止状态为：SOC=2.7%，总电压为283 V，单体电压1.55～2.74 V，温度为32～40℃。试验过程中电池系统放电容量为7.471 A·h，放电能量为2 302.58 W·h。

4.3.8试验结果分析

将EREV车用锂离子动力电池系统的7项试验结果与目标值进行了对比，如表4所列。由表4可知，因锂离子电池动力系统单体的压差较大，在试验没达到截止条件时却因单体电池的阀值提前到达而导致提前终止；由于锂离子电池系统的散热条件较差，电池组最高温度达到58℃，电池系统较高的温度对各试验结果有较大影响，电池系统的散热能力直接影响其电性能和寿命。

表4　试验结果与目标值对比

5　结束语

通过对EREV车载锂离子电池系统试验结果的分析可知，以INR18 650-33G电芯为代表的单体锂离子电池具有良好的一致性，充、放电静置30 s后充、放电极化约消除60%，静置1 min后充、放电极化能够消除约80%，放电极化现象比充电极化严重，该研究为动力电池系统的电压、SOC等参数的准确采样提供了参考，有助于设计科学的采样时间以减小数据误差。EREV车用锂离子电池系统的充、放电过程因单体电池的电压提前达到阀值而提前结束，试验过程中电池系统的温度较高对电池性能产生不利影响，说明单体的一致性和系统的散热性能对整个动力电池系统的充放电性能有重要影响。

参考文献

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11QC/T 743—2006电动汽车用锂离子蓄电池.北京：国家发展和改革委员会，2006.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2016年2月2日。

主题词：增程式电动汽车锂离子动力电池充放电一致性电池极化

Experimental Research on Lithium-ion Power Battery for Extended Range Electric Vehicle

Tian Sheng1，Li Yafei2，Li Shicheng2
（1.South China University of Technology，Guangzhou 510640；2.Guangzhou Automobile Group Co Ltd，Guangzhou 511434）

【Abstract】Electrical properties of lithium-ion battery for extended range electric vehicle（EREV）directly affect vehicle performance.In order to study the impact of charge and discharge performance of lithium-ion battery cells，calibration OCV（open circuit voltage）curve and different standing time on the elimination of polarization，we take INR18650-33G battery cell as the example and an on-board lithium-ion battery system as research object to investigate the charge and discharge characteristic of the lithium-ion battery system.The results show that：INR18650-33G batteries have good consistency，whereas the polarization phenomenon can not be eliminated completely after 1h of charge and discharge，and the discharge polarization is more serious than the charge polarization；monomer consistency and heat dissipation of the system affect electrical performance of the battery power system significantly.

Key words:Extended range electric vehicle，Lithium-ion power battery，Charge-discharge，Consistency，Cell polarization

中图分类号：U469.72

文献标识码：A

文章编号：1000-3703（2016）05-0042-05

*基金项目：广东省科技计划项目（2015A080803001）。