增程式電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池試驗(yàn)研究*

田晟　李亞飛　李拾成（.華南理工大學(xué)，廣州50640；.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣州5434）

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增程式電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力電池試驗(yàn)研究*

田晟1李亞飛2李拾成2
（1.華南理工大學(xué)，廣州510640；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司，廣州511434）

【摘要】增程式電動(dòng)汽車車載鋰離子動(dòng)力電池的電性能直接影響整車的使用性能。為研究鋰離子電池單體的充放電性能、標(biāo)定開路電壓曲線及不同靜置時(shí)間對(duì)極化消除的影響，以INR18650-33G電芯為例，并以某款車載鋰離子電池系統(tǒng)為試驗(yàn)對(duì)象，研究了鋰離子電池系統(tǒng)的充放電特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，INR18650-33G電芯具有良好的一致性，但充、放電1 h后極化現(xiàn)象仍不能完全消除，放電極化現(xiàn)象比充電極化嚴(yán)重；單體的一致性和系統(tǒng)的散熱性能對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的電性能有重要影響。

1　前言

增程式電動(dòng)汽車（EREV）具有節(jié)油率高、不受續(xù)航里程限制等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是傳統(tǒng)燃油汽車與純電動(dòng)汽車之間的最佳過渡產(chǎn)品。動(dòng)力電池技術(shù)是電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵，對(duì)電池性能的研究與應(yīng)用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［1～4］，國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)制定了車用電池的測試標(biāo)準(zhǔn)和測試方法［5～7］。

相對(duì)于國外的電池測試及管理系統(tǒng)技術(shù)，我國雖起步較晚但發(fā)展迅速［8］，如楊陽等［9］研究了電池在不同放電倍率及不同溫度條件下的充放電特性、開路電壓、溫升、內(nèi)阻與效率特性等，同時(shí)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也在逐步建立與完善車用鋰離子電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［10，11］。本文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)某增程式電動(dòng)汽車（EREV）用鋰離子電池單體的充放電性能、標(biāo)定開路電壓曲線以及不同靜置時(shí)間對(duì)極化消除的影響進(jìn)行了試驗(yàn)分析與研究。

2　試驗(yàn)設(shè)備

2.1HT225-40A高低溫試驗(yàn)箱

HT225-40A高低溫試驗(yàn)箱主要用來控制電池單體的溫度，可控溫度為-40～150℃，所測試電芯質(zhì)量為5 kg，如圖1所示。

2.2HTH1920-40A高低溫濕熱試驗(yàn)箱

HTH1920-40A高低溫濕熱試驗(yàn)箱用來控制動(dòng)力電池組的試驗(yàn)溫度、濕度環(huán)境，其可控溫度范圍為-40～150℃，可控濕度范圍為25%RH～98%RH，所測試電芯質(zhì)量為250 kg，如圖2所示。

圖1　HT225-40A高低溫試驗(yàn)箱及其控制程序界面

圖2　HTH1920-40A高低溫濕熱試驗(yàn)箱及其控制程序界面

2.3MACCOR Series 4000電芯測試柜

MACCOR Series 4000電芯測試柜可測試鋰離子電池單體的容量特性、內(nèi)阻功率特性、循環(huán)壽命等。該設(shè)備共有16個(gè)主通道，單通道最大持續(xù)功率為250 W，充放電電流范圍為250 mA～50 A，電壓范圍為0～5 V，可采集-120～150℃范圍的溫度數(shù)據(jù)，Maccor設(shè)備及其操作軟件界面如圖3所示。

圖3　MACCOR/S4000電芯測試柜及其操作軟件界面

2.4AV900電池測試設(shè)備

AV900電池測試設(shè)備可對(duì)動(dòng)力電池組/電池系統(tǒng)進(jìn)行容量、功率、循環(huán)壽命等測試。其單通道最大持續(xù)功率為250 kW，充放電范圍為-500～500 A，電壓范圍為8～900 V，同時(shí)AV900的輔助通道還包括24個(gè)溫度通道（-40～150℃）和36個(gè)電壓采集通道（0～5 V），AV900電池測試設(shè)備及操作軟件界面如圖4所示。

3　電芯試驗(yàn)

3.1INR18650-33G電芯試驗(yàn)概述

以3只INR18650-33G電芯為試驗(yàn)樣本（1#、2#、 3#），采用Maccor S4 000電池模擬器和HT225-40 A高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行充放電試驗(yàn)，研究鋰離子電池電芯的充電容量與放電容量之間的關(guān)系，并對(duì)鋰離子電池的極化消除時(shí)間進(jìn)行分析。INR18650-33G電芯主要性能參數(shù)如表1所列。

圖4　AV900電池測試設(shè)備及其操作軟件界面

表1　INR18650-33G電芯及主要性能參數(shù)

3.2試驗(yàn)內(nèi)容

a.標(biāo)準(zhǔn)充放電試驗(yàn)。在（25±2）℃的環(huán)境溫度下，以0.3 C恒流將試驗(yàn)樣本電壓充至4.2 V，然后轉(zhuǎn)恒壓充電，至試驗(yàn)樣本電流降至0.02 C時(shí)完成充電。將完成充電后的試驗(yàn)樣本靜置30 min以恢復(fù)電平衡，再以0.05 C恒流放電至截止電壓為2.5 V，靜置30 min后重復(fù)此方式充滿電，記錄充、放電容量。

b.充電OCV試驗(yàn)。將充滿電的試驗(yàn)樣本以0.5 C恒流放電至2.5 V，以標(biāo)準(zhǔn)充電方式充入5%的容量（約10 min），靜置1 h并記錄此過程中電壓等參數(shù)的變化。按此循環(huán)20次至充滿電，以0.3 C恒流補(bǔ)電30 min。

c.放電OCV試驗(yàn)。以標(biāo)準(zhǔn)充電方式將試驗(yàn)樣本充滿電，以0.5C的恒流電流放電，放出容量的5%（約10 min），靜置1 h并記錄此過程中電壓等參數(shù)的變化。按此循環(huán)操作20次，至樣本電壓達(dá)到2.5 V時(shí)停止放電。

3.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1.INR18650-33G電芯充/放電容量

試驗(yàn)中3只試驗(yàn)樣本的充、放電容量如表2所列。

表2　INR18650-33G電芯充放電容量　A·h

QC/T743—2006中規(guī)定的單體鋰離子電池放電容量標(biāo)準(zhǔn)差δ及標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Cδ的計(jì)算方法分別為：

式中，Ci為第i個(gè)電池的放出容量；Cˉ為n個(gè)電池單體的平均容量。

根據(jù)式（1）和式（2）可計(jì)算出該電芯的容量標(biāo)準(zhǔn)差為0.006 4 A·h，容量標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.002 1，說明樣本具有較好的一致性。

3.3.2.INR18650-33G電芯的OCV曲線

圖5為靜置1 h后1#、2#、3#試驗(yàn)樣本的充、放電OCV曲線。由圖5可看出，OCV曲線不是單一的線性關(guān)系，在SOC為5%～70%范圍內(nèi)，充、放電OCV曲線未重合，說明靜置1 h后極化尚未完全消除。

圖5　靜置1 h后試驗(yàn)樣本的充、放電OCV曲線

圖6為1#樣本在不同靜置時(shí)間的放電電壓回彈曲線，由圖6可看出，在放電首端0～5%SOC段電壓回彈曲線差異較大，放電靜置30 s后電芯極化消除約65%，放電靜置5 min后極化能消除約90%。

圖6　1#試驗(yàn)樣本不同靜置時(shí)間的放電電壓回彈曲線

圖7為1#樣本不同靜置時(shí)間的充電電壓回彈曲線，可看出在充電末端90%～100%SOC時(shí)差異較大；電芯充電靜置30 s后極化消除約60%，充電靜置5 min后極化可消除約80%。

圖7　1#試驗(yàn)樣本不同靜置時(shí)間的充電電壓回彈曲線

4　EREV車載鋰離子電池系統(tǒng)試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為增程式電動(dòng)汽車用G-RE鋰離子動(dòng)力電池，如圖8所示，根據(jù)空間布置分為電池A包和B包，系統(tǒng)額定電壓為345.6 V，額定容量為38 A·h，工作電壓為280.8～399.6 V，主要參數(shù)如表3所列。

圖8　增程式電動(dòng)汽車用G-RE鋰離子動(dòng)力電池

表3　G-RE鋰離子動(dòng)力電池主要參數(shù)

4.2試驗(yàn)內(nèi)容

參考鋰離子動(dòng)力電池試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)EREV車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行了7項(xiàng)試驗(yàn)，包括1C容量標(biāo)定、13 kW能量標(biāo)定、15 kW恒功率充電（0%SOC開始至充電截止）、53 kW恒功率放電（100%SOC開始至放電截止）、40 kW峰值功率充電（90%SOC）、67 kW峰值功率放電（20%SOC）、87 kW峰值功率放電（20%SOC）。試驗(yàn)主要設(shè)備包括電池模擬器、CANalyzer、計(jì)算機(jī)、絕緣檢測儀等，試驗(yàn)臺(tái)框架如圖9所示。

圖9　EREV車載鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)框架示意

4.3試驗(yàn)結(jié)果和分析

4.3.11C容量標(biāo)定試驗(yàn)及結(jié)果分析

1C容量標(biāo)定試驗(yàn)包括以下步驟：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，以38 A恒流放電至電池組總電壓≤250 V，靜置30 min；

c.以38 A電流和387 V的電壓，對(duì)電池組進(jìn)行恒流恒壓充電，電流≤3 A時(shí)充電截止，靜置30 min；

d.以38 A進(jìn)行恒流放電，至總電壓≤250 V時(shí)截止，靜置30 min；

e.以38 A的恒定電流對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電，當(dāng)SOC≥35%時(shí)截止。

此項(xiàng)試驗(yàn)初始狀態(tài)為：SOC=9.7%，總電壓為341 V，單體電壓為2.73～3.2 V，溫度為26～27℃。單體電壓最大值達(dá)到3.7 V時(shí)充電截止。終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=96.8%，總電壓為387 V、單體電壓為3.46～3.7 V，溫度為31～34℃。試驗(yàn)共用時(shí)47.55 min，充入能量為30.149 A·h。

系統(tǒng)初始放電狀態(tài)為：SOC=92.5%，總電壓為367 V，單體電壓為3.35～3.41 V，溫度為30～33℃，當(dāng)單體電壓最小值達(dá)2.6 V時(shí)放電截止。終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=9.7%，總電壓為331 V，單體電壓為2.5～3.12 V，溫度為32～36℃。放電過程共用時(shí)47.58 min，放出容量為30.106 A·h。

4.3.213 kW能量標(biāo)定試驗(yàn)及結(jié)果分析

13 kW能量標(biāo)定試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A電流和387 V的電壓對(duì)電池組進(jìn)行恒流恒壓充電，電流≤3 A時(shí)充電截止，靜置30 min；

d.以13 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

e.以38 A恒流充電對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電，當(dāng)SOC≥35%時(shí)截止。

此項(xiàng)試驗(yàn)初始狀態(tài)為：SOC=93%，總電壓為369 V，單體電壓為3.35～3.45 V，溫度為31～38℃，當(dāng)單體電壓達(dá)到最小值2.6 V時(shí)放電截止。終止?fàn)顟B(tài)為：SOC= 9.5%，總電壓為332 V，單體電壓為2.5～3.12 V、溫度為33～40℃，放電共用時(shí)49.53 min。試驗(yàn)過程中總放電能量為10 674.6 W·h。

4.3.315 kW恒功率充電試驗(yàn)及結(jié)果分析

15 kW恒功率充電試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以15 kW的恒定功率進(jìn)行充電，至總電壓≥387 V時(shí)截止；

d.靜置30 min，完成試驗(yàn)。

此項(xiàng)試驗(yàn)初始狀態(tài)為：SOC=9.7%、總電壓為342 V、單體電壓為2.67～3.21 V、溫度為26～26℃，當(dāng)系統(tǒng)總電壓達(dá)到387 V時(shí)充電截止。終止?fàn)顟B(tài)為：SOC= 96.9%、總電壓為387 V、單體電壓為3.47～3.67 V、溫度為31～33℃。試驗(yàn)共用時(shí)44.77 min，電池系統(tǒng)充電容量為30.471 A·h，充電能量為11 177.9 W·h。

4.3.453 kW恒功率放電試驗(yàn)及結(jié)果分析

53 kW恒功率放電試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流恒壓充滿，以38 A電流和387 V電壓充電至電流≤3 A，靜置30 min；

c.恒功率放空，以53 kW放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

d.以38 A恒流充電對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電，當(dāng)SOC≥35%時(shí)截止。

此項(xiàng)試驗(yàn)用時(shí)11.53 min，初始狀態(tài)為：SOC=93%，總電壓為371 V，單體電壓為3.36～3.48 V，溫度為30～33℃，當(dāng)單體電壓最小值達(dá)到2.6 V時(shí)放電截止。放電終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=19.5%，總電壓為312 V，單體電壓為2.43～2.97 V，溫度為42～58℃。試驗(yàn)過程中電池系統(tǒng)的放電容量為30.623 A·h，放電能量為10 156.2 W·h。

4.3.540 kW峰值功率充電試驗(yàn)及結(jié)果分析

40 kW峰值功率充電試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流恒壓充滿，以38 A電流和387 V電壓充電至電流≤3 A，靜置30 min；

c.以38A恒流放電6 min，調(diào)整至90%SOC，靜置30 min；

d.恒功率充滿，以40 kW的恒定功率充至總電壓≥387 V；

e.靜置30 min，完成試驗(yàn)。

此項(xiàng)試驗(yàn)用時(shí)1.98 min，初始狀態(tài)為：SOC=83%，總電壓為362 V，單體電壓為3.31～3.34 V，溫度為30～39℃，總電壓達(dá)387 V時(shí)充電截止。終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=92.9%，總電壓387 V，單體3.5～3.67 V，溫度為32～41℃。試驗(yàn)過程中充電容量為3.473A·h，充電能量為1 316.8 W·h。

4.3.667 kW峰值功率放電試驗(yàn)及結(jié)果分析

67 kW峰值功率放電試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A電流恒流充電12 min，調(diào)至20%SOC，靜置30 min；

d.恒功率放空，以67 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

e.以38 A恒流充電對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電，當(dāng)SOC≥35%時(shí)截止。

此項(xiàng)試驗(yàn)用時(shí)2.06 min，初始狀態(tài)為：SOC=28.7%，總電壓為356 V，單體電壓為3.25～3.3 V，溫度為31～33℃，當(dāng)單體電壓最小值達(dá)到2.6 V時(shí)放電截止。放電的終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=13.6%，總電壓為295 V，單體電壓為2.36～2.82 V，溫度為35～45℃。試驗(yàn)過程中電池系統(tǒng)的放電容量為7.312 A·h，放電能量為2 307.4 W·h。

4.3.787 kW峰值功率放電試驗(yàn)及結(jié)果分析

87 kW峰值功率放電試驗(yàn)步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A恒定電流充電12 min，至20%SOC，靜置30 min；

d.恒功率放空，以87 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V時(shí)截止。

此項(xiàng)試驗(yàn)共用1.72 min，放電截止時(shí)單體電壓最小值達(dá)到2.3 V。放電初始狀態(tài)為：SOC=23%，總電壓為356 V，單體電壓為3.24～3.3 V，溫度為25～28℃。放電終止?fàn)顟B(tài)為：SOC=2.7%，總電壓為283 V，單體電壓1.55～2.74 V，溫度為32～40℃。試驗(yàn)過程中電池系統(tǒng)放電容量為7.471 A·h，放電能量為2 302.58 W·h。

4.3.8試驗(yàn)結(jié)果分析

將EREV車用鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的7項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)值進(jìn)行了對(duì)比，如表4所列。由表4可知，因鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)單體的壓差較大，在試驗(yàn)沒達(dá)到截止條件時(shí)卻因單體電池的閥值提前到達(dá)而導(dǎo)致提前終止；由于鋰離子電池系統(tǒng)的散熱條件較差，電池組最高溫度達(dá)到58℃，電池系統(tǒng)較高的溫度對(duì)各試驗(yàn)結(jié)果有較大影響，電池系統(tǒng)的散熱能力直接影響其電性能和壽命。

表4　試驗(yàn)結(jié)果與目標(biāo)值對(duì)比

5　結(jié)束語

通過對(duì)EREV車載鋰離子電池系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果的分析可知，以INR18 650-33G電芯為代表的單體鋰離子電池具有良好的一致性，充、放電靜置30 s后充、放電極化約消除60%，靜置1 min后充、放電極化能夠消除約80%，放電極化現(xiàn)象比充電極化嚴(yán)重，該研究為動(dòng)力電池系統(tǒng)的電壓、SOC等參數(shù)的準(zhǔn)確采樣提供了參考，有助于設(shè)計(jì)科學(xué)的采樣時(shí)間以減小數(shù)據(jù)誤差。EREV車用鋰離子電池系統(tǒng)的充、放電過程因單體電池的電壓提前達(dá)到閥值而提前結(jié)束，試驗(yàn)過程中電池系統(tǒng)的溫度較高對(duì)電池性能產(chǎn)生不利影響，說明單體的一致性和系統(tǒng)的散熱性能對(duì)整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的充放電性能有重要影響。

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11QC/T 743—2006電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池.北京：國家發(fā)展和改革委員會(huì)，2006.

（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月2日。

主題詞：增程式電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池充放電一致性電池極化

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

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3703（2016）05-0042-05

*基金項(xiàng)目：廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A080803001）。