文章來源：1江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西省新能源汽車動力總成重點實驗室 2同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 引言 目前對鋰電池溫度特性的相關(guān)研究主要集中在動力電池單體的溫度特性方面，主要探討溫度對容量 ? 內(nèi)阻 ? 電壓和老化方
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1江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西省新能源汽車動力總成重點實驗室
2同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院華東交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院目前對鋰電池溫度特性的相關(guān)研究主要集中在動力電池單體的溫度特性方面，主要探討溫度對容量 ? 內(nèi)阻 ? 電壓和老化方面的影響規(guī)律，并沒有對動力電池系統(tǒng)的溫度特性展開研究，特別是電池續(xù)駛里程 ? 回饋能量 ? 放電效率和溫升等方面。同時，在實際使用過程中，動力電池系統(tǒng)的工作環(huán)境非常復(fù)雜，所以環(huán)境溫度對實車動力電池系統(tǒng)性能的影響與電池廠家的測試數(shù)據(jù)存在不同。此外，電動汽車?yán)m(xù)駛里程測試采用的是NEDC測試標(biāo)準(zhǔn)，未完全考慮使用環(huán)境溫度的影響，結(jié)果容易標(biāo)定出較高的續(xù)駛里程 ? 加速和制動回饋等策略。因此，本文基于NEDC工況在不同環(huán)境溫度下對電動汽車進(jìn)行試驗，研究不同溫度下續(xù)駛里程 ? 能量 ? 單體一致性 ? 溫升等特性的變化規(guī)律。本文為動力電池系統(tǒng)在實際使用過程中的熱分析建模 ? 熱管理系統(tǒng)設(shè)計和BMS的策略設(shè)計提供依據(jù)，同時可以更好地說明動力電池系統(tǒng)在使用過程中的性能。以江鈴某車型為試驗對象，整車搭載2956V/319kWh三元鋰NCM電池動力系統(tǒng)。采用轉(zhuǎn)轂臺架 ? 動力電池測試系統(tǒng)和電池系統(tǒng)監(jiān)控平臺，分別在不同環(huán)境下進(jìn)行NEDC工況測試，如圖1所示。不同環(huán)境溫度下的NEDC工況試驗步驟如下。需要指出的是本文中的環(huán)境溫度適應(yīng)是指將車輛放置目標(biāo)環(huán)境溫度中，動力電池系統(tǒng)中單體電池溫度與目標(biāo)溫度差值不超過2℃。1)將整車進(jìn)行室溫(25±2)℃環(huán)境適應(yīng)。2)用1C(即108A)將電池放空電，靜置30min，用C(即54A)將電池充滿電，靜置30min。3)進(jìn)行(25±2)℃環(huán)境適應(yīng)。5)進(jìn)行(25±2)℃環(huán)境適應(yīng)。6)用05C(即54A)將電池充滿電，靜置30min。分別在-5℃ ? 0℃和40℃三種不同環(huán)境溫度下進(jìn)行NEDC工況試驗，試驗步驟與1)~6)一致。2環(huán)境溫度對電動汽車?yán)m(xù)駛里程的影響在25℃ ? -5℃ ? 0℃和40℃四種不同環(huán)境溫度下，NEDC工況測試的續(xù)駛里程如圖2所示。圖中D(T)/D(25℃)表示不同溫度下動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程相對于溫度為25℃時續(xù)駛里程的比值。可見，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程隨著溫度的降低而減少，且呈現(xiàn)非線性關(guān)系。低溫下，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程減少得較快，而在常溫左右，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程隨著溫度的升高而增大，其速率相對低溫較慢。在0℃到-5℃時，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程從標(biāo)定值的89.9%減少至84.6%，而在40℃，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程為標(biāo)定值的102.6%。將動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程變化與溫度進(jìn)行擬合，得到(1)式中，D為動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程(km);T為環(huán)境溫度(℃);R2為該擬合曲線的相關(guān)系數(shù)。電動汽車能量消耗率C是指經(jīng)過NEDC試驗循環(huán)后對動力電池系統(tǒng)充滿電，從電網(wǎng)上得到的電能E電網(wǎng)除以NEDC試驗循環(huán)行駛里程所得的值D里程，單位為Wh/km，如式(2)所示。式中，C為電動汽車能量消耗率(Wh/km);E電網(wǎng)是電網(wǎng)得到的電能(Wh);D里程為NEDC試驗循環(huán)行駛里程(km)。在不同環(huán)境溫度下，NEDC測試的能量消耗率如圖3所示。圖中C(T)/C(25℃)表示不同溫度下動力電池系統(tǒng)的能量消耗率相對于溫度為25℃時能量消耗的比值。由圖3可以看出，隨著溫度的降低，動力電池系統(tǒng)的能量消耗率不斷地增大，且增大的速率不斷加大。低溫下，增大速率極大，而常溫附近增大速率較小，且隨著溫度升高，能量消耗率反而降低。在-5℃時，能量消耗率為標(biāo)定值的105.5%，增大了55%。而在40℃，能量消耗率為標(biāo)定值的99.4%，減少了0.6%。將動力電池系統(tǒng)的能量消耗變化與溫度進(jìn)行擬合，得到式中，T為環(huán)境溫度(℃);R2為該擬合曲線的相關(guān)系數(shù)。在不同環(huán)境溫度下，NEDC測試循環(huán)放出的能量如圖4所示。將動力電池系統(tǒng)的放電能量與溫度進(jìn)行擬合，得到式中，E為NEDC測試循環(huán)放出的能量(kWh);T為環(huán)境溫度(℃);R2為該擬合曲線的相關(guān)系數(shù)。圖4與式(4)表明，環(huán)境溫度對動力電池的放電能量的影響較為顯著。動力電池的放電能量隨溫度的降低而降低，且溫度越低下降得越快。在-5℃時，動力電池系統(tǒng)放出的能量較25℃放出的能量減少了近44kWh。顯然，低溫下動力電池系統(tǒng)的性能急劇下降。在40℃時，動力電池系統(tǒng)放出的能量較25℃放出的能量增加了約0.8kWh。因此，在高溫階段，動力電池系統(tǒng)的性能可以得到一定程度的提升。放電效率是指同循環(huán)過程中動力電池系統(tǒng)放出能量與充入能量之百分比，即不同環(huán)境溫度NEDC測試的放電效率見圖5和表1。由表1和圖5可知，在相同充電條件下，放電效率受放電過程所處的環(huán)境溫度影響。溫度越低，放電效率降低得越快，能量利用率越低。隨著溫度的上升，放電效率逐漸增大并趨于一致。-5℃與40℃的放電效率相差了345%。因此，在低溫環(huán)境下，提高電動系統(tǒng)所處的溫度可以提高放電效率，進(jìn)而提升能量的利用效率。在不同試驗環(huán)境溫度下，NEDC循環(huán)過程的回饋能量如圖6所示。圖中相對于25℃回饋能量差指的是不同溫度的回饋能量與25℃回饋能量相減得到的值。將NEDC循環(huán)回饋能量變化與溫度進(jìn)行擬合，得到式中，E回饋為NEDC循環(huán)測試過程的回饋能量(kWh);T為環(huán)境溫度(℃);R2為擬合系數(shù)。由圖6與式(6)可知，NEDC循環(huán)測試過程的回饋能量與溫度近似成二次函數(shù)。隨著溫度的降低，回饋能量逐漸降低。低溫下，回饋能量降低的速率相對于常溫并不明顯。4環(huán)境溫度對電動汽車動力電池系統(tǒng)電性能的影響本文以每一個NEDC工況循環(huán)作為基本研究單元，對其電壓 ? 壓差 ? 溫升 ? 溫差和SOC等方面展開研究。4.1環(huán)境溫度對電池系統(tǒng)一致性的影響圖7和圖8分別為-5℃ ? 0℃ ? 25℃和40℃下NEDC工況中測得的每個基本循環(huán)中最大壓差與時間 ? SOC的曲線。圖9~圖12分別為-5℃ ? 0℃ ? 25℃和40℃下NEDC工況中測得的每個基本循環(huán)中單體最高 ? 最低電壓與時間 ? SOC的曲線。1)動力電池系統(tǒng)的壓差隨著溫度的降低而增加。低溫的壓差曲線在高溫曲線的上面。壓差曲線呈現(xiàn)U形，在測試開始與結(jié)束時，壓差較大，特別在結(jié)束端，壓差在短時間內(nèi)快速增大。在測試中期，壓差變化較小，曲線較為平坦。2)在整個NEDC測試過程，25℃和40℃的壓差曲線十分接近，且除在SOC接近0的階段外，其余階段壓差波動不大。而-5℃和0℃的壓差曲線波動較大。在相同的時間和SOC下，低溫壓差均比高溫大。在放電末端，環(huán)境溫度越低，電池的性能衰減得更快。3)在NEDC測試開始階段，溫度越低，對應(yīng)的單體最高電壓越大。而在NEDC測試將結(jié)束階段則相反，溫度越低，對應(yīng)的單體最高電壓越小。4)溫度越低，單體最低電壓越小，對應(yīng)的曲線越靠下。同時，低溫下，達(dá)到放電結(jié)束的時間越短。4.2環(huán)境溫度對電池系統(tǒng)溫度的影響在不同環(huán)境溫度下，NEDC測試循環(huán)電池系統(tǒng)的最大溫升如圖13所示。圖14和圖15為不同環(huán)境溫度下，NEDC工況中測得的每個基本循環(huán)中最大溫差與時間 ? SOC的曲線。環(huán)境溫度對動力電池系統(tǒng)溫升的影響較為明顯。低溫℃時，電池系統(tǒng)的溫升為12℃，達(dá)到了常溫附近溫升的2倍。低溫下，溫升上升得極快，而在常溫左右，溫升幾乎沒變化。環(huán)境溫度越低，動力電池系統(tǒng)的溫差逐漸增加，最后趨于平衡。圖16為-5℃ ? 0℃ ? 25℃和40℃下NEDC工況測得的動力電池系統(tǒng)的SOC值隨時間變化的曲線。圖17~圖20為每個基本循環(huán)中最大 ? 最小總電壓與時間 ? SOC的曲線。1)環(huán)境溫度越低，SOC從100%減少到0的時間越短，電動汽車可用的時間越短。隨著溫度的降低，SOC降低得越快，SOC曲線越傾斜。而在常溫左右，SOC曲線差異不大。不同溫度下的SOC曲線均不是直線，而是波浪線形狀。2)測試開始階段，溫度越低，最高總電壓越大。而在結(jié)束階段，溫度越低，最高總電壓越小。同時，高溫下最高總電壓曲線與低溫下最高總電壓曲線偏離較小。3)溫度越低，最低總電壓越小，對應(yīng)的曲線越靠下。放電結(jié)束時，最低總電壓幾乎相同。低溫的最低總電壓值與高溫最低總電壓值相差較大。圖21所示為不同環(huán)境溫度NEDC測試循環(huán)過程的中值電壓與溫度的曲線。圖22為中值電壓對應(yīng)的單體極值電壓與溫度的曲線。在0℃~-5℃的低溫端，其中值電壓和對應(yīng)的極值電壓相比25℃~40℃的較高溫端小很多，中值電壓最大相差573V，最高單體電壓最大相差0.066V，最小單體電壓最大相差0.087V。因此，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，動力電池的特性越高，具有的能量越大。在較高溫端，隨著溫度的增加，中值電壓與對應(yīng)的單體極值電壓幾乎相等。同樣，在低溫端，溫度降低對中值電壓與對應(yīng)的單體極值電壓影響不大。本文考察了搭載三元鋰NCM電池動力系統(tǒng)的電動汽車在不同溫度的NEDC工況下，動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程 ? 能量與電性能和環(huán)境溫度的關(guān)系，得到了不同環(huán)境溫度NEDC工況下，續(xù)駛里程 ? 能量 ? 壓差 ? 單體極值電壓 ? 總電壓? SOC和中值電壓的規(guī)律。1)環(huán)境溫度對動力電池系統(tǒng)的續(xù)駛里程和能量消耗率影響較大，低溫時續(xù)駛里程減少得較快，能量消耗率增大得較快，高溫時續(xù)駛里程逐漸增加，能量消耗率逐漸減少，但兩者的變化速率小于低溫時。2)放電能量 ? 放電效率和回饋能量隨溫度的降低而降低。溫度越低，放電能量和放電效率降低得越快，而回饋能量降低的速率較緩慢。3)動力電池系統(tǒng)的壓差隨著溫度的降低而增加。特別在放電末端，壓差在短時間內(nèi)快速增大。溫度越低，SOC曲線越傾斜，且不同溫度下的SOC曲線呈現(xiàn)波浪線形狀。4)環(huán)境溫度對動力電池系統(tǒng)的溫升影響較為明顯。低溫下，溫升上升得極快，而在常溫左右，溫升差異較小。同時，溫度越低，動力電池系統(tǒng)的溫差逐漸增加。5)溫度越低，單體最低電壓和系統(tǒng)最低總電壓越小，對應(yīng)的電壓曲線越低，而單體最高電壓和系統(tǒng)最高總電壓則差異較小。同時，低溫時，中值電壓和對應(yīng)的極值電壓相比高溫時小很多。
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