動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的電性能測(cè)試研究

袁興建

（西藏自治區(qū)能源研究示范中心，西藏 拉薩 850000）

青藏高原作為國(guó)家生態(tài)安全屏障，青藏高原的生態(tài)安全事關(guān)亞洲乃至世界生態(tài)安全，保護(hù)青藏高原生態(tài)安全是我們科研人員義不容辭的責(zé)任。然而汽車尾氣已經(jīng)成為威脅青藏高原生態(tài)安全重要因素，必須加快新能源汽對(duì)傳統(tǒng)燃油汽車的替代，來(lái)減輕青藏高原生態(tài)安全工作的壓力。但西藏特殊的地理環(huán)境對(duì)新能源汽車提出更加嚴(yán)苛的要求，需要在高寒地區(qū)對(duì)新能源汽車的核心部件動(dòng)力電池系統(tǒng)開展可行性測(cè)試研究。通過(guò)文獻(xiàn)檢索，當(dāng)前鋰離子電池的技術(shù)雖然已基本成熟，動(dòng)力電池也有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但對(duì)于高寒地區(qū)而言，鋰離子動(dòng)力電池還沒有相應(yīng)的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，而電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池作為一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，不能簡(jiǎn)單引用已有的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢測(cè)其在高寒地區(qū)的性能，必須結(jié)合實(shí)際情況對(duì)動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的性能進(jìn)行測(cè)試研究，確保電動(dòng)汽車能安全運(yùn)行，并根據(jù)系統(tǒng)性的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)電動(dòng)汽車在高寒地區(qū)的安全運(yùn)行的適應(yīng)性改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)，從而加快電動(dòng)汽車在西藏的推廣。

研究選取三元鋰離子動(dòng)力電池為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并根據(jù)現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)鋰離子動(dòng)力電池測(cè)試方案。依據(jù)測(cè)試方案對(duì)鋰離子動(dòng)力電池開展相關(guān)電性能實(shí)驗(yàn)，如容量實(shí)驗(yàn)、功率內(nèi)阻實(shí)驗(yàn)、高低溫啟動(dòng)功率實(shí)驗(yàn)和能量效率實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)整理分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)在高寒地區(qū)的電性能情況，完成動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的適應(yīng)性改造的前期準(zhǔn)備工作。

1 鋰離子動(dòng)力電池組測(cè)試方法

研究測(cè)試樣品為三元鋰離子動(dòng)力電池，型號(hào)：72V/252Ah；電池組的單體電池為圓柱型鋰離子動(dòng)力電芯，型號(hào)：26980S，標(biāo)稱容量：6Ah，標(biāo)稱電壓：3.6V；測(cè)試條件中的氣壓為相對(duì)氣壓，以拉薩市氣壓為標(biāo)準(zhǔn)；實(shí)驗(yàn)環(huán)境主要為海拔4500米、常溫，3600米、常溫；實(shí)驗(yàn)主要依據(jù)為GB/T3167.1-2015；氣壓的依據(jù)是根據(jù)西藏主要城市的年平均氣壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換［1］。

1.1 容量試驗(yàn)

由于動(dòng)力電池系統(tǒng)在大電流充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，使動(dòng)力電池系統(tǒng)的溫度上升，給電動(dòng)汽車的安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。為保證電動(dòng)汽車在高寒地區(qū)的安全運(yùn)行，就必須掌握動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的電性能參數(shù)。為此，我們通過(guò)開展不同海拔范圍內(nèi)動(dòng)力電池系統(tǒng)的容量實(shí)驗(yàn)研究，分析動(dòng)力電池系統(tǒng)在充放電過(guò)程中單體電池的溫差、壓差及系統(tǒng)功率變化情況來(lái)研究動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的電性能參數(shù)。

實(shí)驗(yàn)主要分析充電過(guò)程SOC為40-100%，放電過(guò)程SOC為100-0%的測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.1.1 0.5C充電過(guò)程中功率、溫差、壓差變化情況。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析整理，得到如下結(jié)果：當(dāng)海拔為3600米充電量為10.351kWh,海拔為4500米充電量為11.434kWh；由曲線圖可知：海拔越高，充電功率越小，單體電池溫差變幅度也大并呈上升趨勢(shì)，單體壓差變化幅度越大并呈上升趨勢(shì)。

1.1.2 1C放電功率、溫差、壓差變化情況。通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析整理，得到如下結(jié)果：海拔為3600米放電量為16.175kWh，海拔為4500米放電量為15.804kWh；海拔越高，放電功率越小，單體電池溫差變幅度保持一致并呈上升趨勢(shì)，單體壓差變化幅度越大并呈上升趨勢(shì)。

1.2 功率和內(nèi)阻

主要測(cè)試動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)工況下的功率特性和內(nèi)阻特性，模擬電池包的實(shí)時(shí)工況［2］。

根據(jù)GB/T3167.1-2015計(jì)算如表1。

表1 不同海拔內(nèi)組功率比較表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔越高，電阻越大，功率也變大。

1.3 高溫啟動(dòng)功率

高溫啟動(dòng)功率實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試，在高溫和低SOC情況下電池的輸出能力［3］（如表2）。

表2 不同海拔高溫啟動(dòng)功率比較表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔越高，啟動(dòng)功率越低。

1.4 能量效率

能量效率效率實(shí)驗(yàn)主要測(cè)試動(dòng)力電池在不同SOC的狀態(tài)下電池包快速充放電效率［3］（如表3）。

表3 不同海拔能量效率比較表

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，海拔越高，耗能越高，同時(shí)效率越高。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方案

鋰離子動(dòng)力電池組測(cè)試通過(guò)下圖所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

圖1 鋰離子動(dòng)力電池組測(cè)試圖

實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要有鋰離子動(dòng)力電池組、高低溫低壓環(huán)境試驗(yàn)箱、能量回饋型電池組充放電測(cè)試系統(tǒng)、CAN盒、計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的測(cè)試單元組成。高低溫低壓環(huán)境試驗(yàn)箱為動(dòng)力電池系統(tǒng)模擬高寒地區(qū)的氣候環(huán)境；能量回饋型電池組充放電測(cè)試系統(tǒng)同動(dòng)力電池系統(tǒng)測(cè)試軟件一起完成動(dòng)力電池系統(tǒng)各項(xiàng)性能測(cè)試，并輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，CAN盒的主要作用是檢測(cè)電池包內(nèi)部每一個(gè)單體電池的電壓、溫度實(shí)時(shí)狀況。

3 結(jié)束語(yǔ)

研究選擇鋰離子動(dòng)力電池組為測(cè)試對(duì)象，以國(guó)標(biāo)為依據(jù)，以高寒地區(qū)的氣候特征為測(cè)試環(huán)境，對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組的容量、功率內(nèi)阻、高溫啟動(dòng)功率及能量效率等電性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的充電耗能變大，有用能變小，內(nèi)阻變大，能為電動(dòng)汽車提供的啟動(dòng)功率變小，充放電時(shí)單體電池的溫度和電壓一致性變差。這些結(jié)果表明，要在西藏大規(guī)模推廣電動(dòng)汽車，必須根據(jù)高寒地區(qū)氣候特征對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行適應(yīng)性改造和加快動(dòng)力電池在高寒地區(qū)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的研制；只有根據(jù)高寒地區(qū)的特征對(duì)動(dòng)力電池開展系統(tǒng)性測(cè)試，才能對(duì)動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的性能做出完整的評(píng)價(jià)，才能掌握動(dòng)力電池在高寒地區(qū)的運(yùn)行情況［5］，為動(dòng)力電池系統(tǒng)在高寒地區(qū)的適應(yīng)性改造和安全高效使用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，才能進(jìn)一步優(yōu)化電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)。