林成涛;李腾;田光宇;陈全世
【摘 要】研究了一种国产的、以LiMn_2O_4为正极材料的100 Ah锂离子电池组用于插电式燃料电池混合电动客车时,在高温、高负荷条件下的模拟工况循环寿命特性,获得了电池组容量、效率、内阻、功率能力的变化特征,发现荷电状态(SOC)工作点是影响循环寿命的重要因素.电池组在高温、高负荷条件下,在0.3和0.5两个SOC工作点,循环寿命对应的行驶里程分别约为17 400 km和31 200 km. 【期刊名称】连体滑雪服《电池》
【年(卷),期】2010(040)001
【总页数】4页(P23-26)
【关键词】电动汽车;锂离子电池;模拟;循环寿命;荷电状态(SOC)
【作 者】林成涛;李腾;田光宇;陈全世
【作者单位】清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084
【正文语种】中 文
【中图分类】挤胶TM912.9
电池的寿命有循环寿命和日历寿命之分[1-2],其中应用最多的是循环寿命。电池的循环寿命受使用条件的影响,主要因素有工作负荷、工作温度、放电深度、用荷电状态(SOC)描述的工作区域(ΔSOC)和充电制度。除此之外,电池寿命周期所处的具体阶段与电池循环次数、工作时间密切相关。
为了规范动力电池的寿命测试方法,各国和有关学术组织都颁布了基于标准车辆要求的相关标准与试验方法[1-5]。不同种类电动汽车动力系统构型、车辆行驶工况和所处气候条件的差异,导致在实际使用过程中,动力电池的工作环境有显著差别;加上电池种类、容量等的不同,致使常规的电池寿命测试方法不能满足电池寿命特性研究工作的需要[6]。
寿命不长是目前制约锂离子动力电池广泛应用的主要因素[7-8]。应用于混合动力大客车上的大容量锂离子动力电池的模拟工况循环寿命特征,还没有系统的研究成果。
近年来,我国对电动汽车用大容量锂离子动力电池的研究取得了进步。如863项目的“清华燃料电池城市客车”与“北京理工大学电动公交大客车”课题,都采用了大容量锂离子电池。大容量锂离子电池组模拟工况循环寿命的研究,对相关产业的发展很重要。本文作者以混合动力客车为应用环境,研究了大容量锂离子电池组的模拟工况循环寿命特性。
1 试验工况设计
1.1 研究对象与设备
电动汽车最关注的是电池组,而不仅仅是单体电池的使用寿命。将两组以LiMn2O4为正极材料的100 Ah锂离子电池组(北京产,5只单体电池串联)分别命名为电池组A和电池组B。在温度控制箱内,用AV-900电池组试验台(美国产)的两个通道分别对两个电池组进行充放电,并采集电池组的电压、电流和温度等数据。
1.2 PHEV工作特点
公共交通是电动汽车最有可能率先实现广泛应用的领域,插电式混合动力汽车(PHEV)是电动汽车的一个发展方向。典型PHEV电池组的工作模式见图1。
图1 典型PHEV的工作模式Fig.1 Working mode of typical plug-in hybrid electric vehicle(PHEV)
从图1可知,行驶的完整工作过程由电量消耗模式、电量保持模式、常规充电模式和停车模式构成。
本研究以清华大学研制的燃料电池混合电动客车为背景,研究基于现有燃料电池混合电动客车平台的插电式客车用大容量锂离子电池组的循环寿命特性。图2所示为插电式燃料电池混合电动客车的动力系统结构。
图2 插电式燃料电池混合电动客车的动力系统结构Fig.2 Power train configuration of plug-in fuel cell hybrid electric bus
对应插电式燃料电池混合电动客车的系统构型与控制策略,在模拟工况循环寿命试验过程中做如下假定:在电量消耗模式中,插电式燃料电池混合电动客车将DC/DC变换器关闭,燃料电
池不工作,动力全部来自电池组;在电量保持模式中,电池组和燃料电池共同工作。
1.3 电池试验工况设计
公交客车在道路行驶条件下,电池组的工作工况与实验室中室温恒流充放电有显著的不同。用常规恒流充放电的工作循环得到的电池组寿命数据,高于实际车用电池组的寿命。完全按车用条件下电池组的工况试验,将花费过长的时间,因此,要客观描述车用条件下电池组的循环寿命,既要以公交客车行驶工况为输入,又要结合试验过程进行调整。
本研究所用公交客车行驶工况,是基于北京、上海等典型城市进行调查研究、解析和实证试验得到的。以此工况为工作基础,设计适合插电式客车用电池组的循环寿命试验工况。工况设计过程中首先用插电式燃料电池混合电动客车的数学仿真模型,以公交客车行驶工况为输入进行仿真,得到电池组的电流、电压和功率的工作工况;再参考图3插电式燃料电池混合电动客车静止起步加速试验过程中实际测量得到的电池组电流、电压数据,调整原有试验工况的功率水平,使之与客车静止起步加速试验过程的功率水平相当。在每个完整的工况循环过程,希望电池组的电量基本维持不变,因此在工况的结尾部分以1 C的电流进行电量均衡。
kv7图3 清华燃料电池混合动力客车加速试验实测电池组数据Fig.3 Road accelerating test data of the batteries in Tsinghua fuel cell hybrid bus
最终的电池模拟工况寿命试验循环见图4,统计学特征参数见表1。
图4 电池组寿命试验循环工况示意图Fig.4 Typical test cycle of batteries cycle life test
表1 电池组寿命试验循环工况特征参数Table 1 Characteristic parameters of batteries cycle life test?
电池组在这一模拟工况寿命试验的定义下工作,既是利用电池组的储能特性弥补插电式燃料电池混合电动客车的能量需求,也是延长燃料电池使用寿命的重要措施。首先,电池组以纯电动方式放电,是利用电价便宜的优点,提高整车的经济性;在燃料电池和电池组联合工作时,保持电池组的电量平衡是为了让客车长时间持久工作,不至于出现必须通过外接充电来补足电池组电量状况的情况。工况试验中进行电量调整的时间不到10 s、电流为1 C,是为了与常规充电过程的电流一致,同时提高试验效率。
1.4 试验过程描述
背板制作
使用图4的试验工况进行电池组寿命试验,研究在公交道路行驶条件下电池组循环寿命的一般变化规律以及温度、SOC工作点对循环寿命的影响。
城市公交客车在工作日的平均日行驶时间约为12 h。单日寿命循环试验的工作过程,假定公交客车循环执行由我国典型城市行驶工况定义的公交工况。单日循环寿命试验与公交客车平均每天的行驶过程对应,具体过程见图5。
图5 单日寿命循环的试验过程Fig.5 Test procedure of the cycle life test in a day
试验循环用电流值来定义,电池组先后执行电量消耗、电量保持和常规充电模式。电量消耗模式以电池组恒流放电试验模拟。电量保持模式循环执行图5中的寿命循环工况,执行循环的数量为36次。常规充电为1 C恒流恒压(单体电池4.2 V)。试验工况是经过加速的试验工况,根据车辆道路仿真的结果,完成单日寿命循环,车辆行驶约600 km。
教学扩音器
为了分析SOC工作点对插电式燃料电池混合电动客车用电池组循环寿命的影响,寿命试验在0.3和0.5两处SOC工作点进行,进行试验的两个电池组分别标记为电池组A(0.3SOC)和电池组B(0.5SOC),SOC工作点的调整,通过改变电量消耗模式的恒流放电时间实现。在执行5次
单日寿命循环后,进行C/3恒流放电,确认电池容量的变化;进行峰值功率[3]试验,确认电池功率能力的变化。试验的整个过程中,在电量消耗和电量保持模式控制电池箱的温度为40℃,常规充电模式在室温(约25℃)下进行。在测量电池组容量变化时,同时测量电池组库仑效率和能量效率的变化过程,测试方法见文献[2]。
甲类功率放大器相对于常规的寿命试验过程,电池模拟工况寿命试验是加速的寿命试验过程,加速由提高试验过程中电池充放电的平均功率水平和环境温度实现。这样的加速可能未全面反映电池寿命的影响因素,但对电动汽车的研究仍有价值。
2 结果与讨论
2.1 试验过程曲线
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