不同工況下動(dòng)力電池充放電策略優(yōu)化研究

陶玉鵬 聶永福 朱紅 蔣旭吟 曾祥兵

摘 要：鋰離子動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源，整車運(yùn)行工況影響電池的功率輸出特性和熱性能表現(xiàn)。通過對(duì)電池在持續(xù)大功率放電及循環(huán)充放電測(cè)試工況下的熱性能及功率輸出性能的分析研究，明確了在不同工況下電池包內(nèi)部個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度及溫差變化，以此優(yōu)化整車充放電控制策略。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;電動(dòng)汽車;熱性能;控制策略

近年來，隨著純電動(dòng)汽車的開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)高續(xù)航電動(dòng)汽車需求，具有高能量密度的三元鋰離子電池被設(shè)計(jì)開發(fā)并運(yùn)用到電動(dòng)汽車上[1]。鋰離子電池作為純電動(dòng)汽車的唯一的能量來源，為了滿足高續(xù)航純電動(dòng)汽車的需求，盡可能多的高能量密度的電芯成組后并放到有限空間內(nèi)，該設(shè)計(jì)在整車惡劣的運(yùn)行工況下可能會(huì)給電池系統(tǒng)內(nèi)部的電芯帶來高溫環(huán)境[2]。另一方面，電池過熱以及電池包內(nèi)部熱量的不均一性，都將會(huì)嚴(yán)重影響到電池功率輸出及壽命，而動(dòng)力電池的性能直接影響到電動(dòng)車的動(dòng)力性能和安全性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象為純電動(dòng)汽車用高比能量的三元?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)，電池相關(guān)的參數(shù)如下：電量32.3KWh、最高溫度閥值51℃、測(cè)試溫度保護(hù)閥值60℃。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

100KW快速充電機(jī)（CSG-BCG-D3020），步入式高低溫濕熱試驗(yàn)室（EW594065W型），充放電設(shè)備（EVT250-500-60 KW IGBT）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（a）電池常溫靜置，且電池溫度在（25±2） ℃，以34.6A恒流充至滿電，在40℃下放置大于6h，且系統(tǒng)溫度在（40±2） ℃;b）進(jìn)行持續(xù)放電（HSC）和循環(huán)測(cè)試工況（CTC）測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度傳感器布置

根據(jù)電池內(nèi)部模組的成組形式，共布置18個(gè)NTC溫度傳感器，以用于檢測(cè)電池內(nèi)部溫度變化，并依據(jù)不同工況下電池的溫升特性，優(yōu)化電池系統(tǒng)的功率輸出策略。

2.2 持續(xù)放電（HSC）

依據(jù)整車最大需求的放電功率，對(duì)電池進(jìn)行模擬放電測(cè)試，圖1（a）中描述了三種放電策略，策略1（CL-1）依據(jù)整車爬坡需求的最大功率36.5KW，對(duì)電池包從滿電狀態(tài)下進(jìn)行持續(xù)放電至30% SOC的實(shí)際測(cè)試，圖1（b）中的展示了策略1測(cè)試過程中的最高最低溫度（CL-1 Tmax和CL-1 Tmin）變化，可以觀察到電池溫度持續(xù)升高。放電結(jié)束時(shí)，電池包的最高溫度為53℃，高于動(dòng)力電池使用的上限溫度。為此CL-2中進(jìn)行了降功率處理，即當(dāng)CL-2 Tmax ≥ 48℃時(shí)，放電功率由36.5KW降低至30KW，但是由圖1（b）中溫度曲線可以看出，末端的溫升明顯放緩，但熱量還是在不斷積累，放電末端的最高溫度也高達(dá)50℃。CL-3在上述分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多次降功率，即當(dāng)CL-3 Tmax ≥ 45℃時(shí)，電池放電功率由36.5KW降低至26KW;當(dāng)CL-3 Tmax ≥ 48℃時(shí)，電池放電功率由26KW降低至22KW持續(xù)放電至30% SOC，具體的功率變化如圖1（a）所示。由圖1（b）中最高最低溫度變化，可以看到放電結(jié)束時(shí)最高溫度基本穩(wěn)定在48℃，此時(shí)電池包放電產(chǎn)生的熱量與對(duì)外散熱量基本處于一個(gè)平衡狀態(tài)，且電池包內(nèi)溫差也可控制在3℃內(nèi)。

2.3 循環(huán)測(cè)試工況

2.3.1 充放電策略

圖2中展示了三種循環(huán)測(cè)試工況（CTC）充放電策略，具體如下：1）策略1（CTC-1）先以23.3KW持續(xù)放電至30% SOC，再以104A的電流充電至80% SOC，最后以23.3KW恒功率持續(xù)放電至30% SOC;2）策略2（CTC-2）中僅將快充電流降低至52A，放電功率維持在23.3KW;3）策略3（CTC-3）放電策略為當(dāng)最高溫度（CTC-3 Tmax）大于等于45℃時(shí)，放電功率由23.3KW降低至18.5KW，當(dāng)CTC-3 Tmax ≥ 48℃時(shí)，快充電流由52A降至20A，此外放電功率由18.5KW降低至9.6KW。

2.3.2 充放電過程中溫度變化

圖3中描述了三種充放電策略下的最高和最低溫度的變化，由循環(huán)工況1（CTC-1）的最高最低溫（CTC-1 Tmax）度變化可以看到，測(cè)試結(jié)束后最高溫度已達(dá)到58℃，明顯高于溫度閥值。循環(huán)工況2（CTC-1）將快充電流降低至52A，雖然快充階段的最大溫升降低至6℃，但是由于起始溫度較高（48℃）及快充后放電功率仍為23.3KW，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)束后的末端最高溫度（CTC-2 Tmax）仍然高達(dá)52℃。基于上述的兩種測(cè)試結(jié)果的分析，為了達(dá)到充電時(shí)間、電池溫升、整車動(dòng)力性三者的平衡目的，需要滿足快充前后及循環(huán)工況末端的最高溫度控制在48℃以下。由圖3中可以分析得到當(dāng)放電功率降至18.5KW時(shí)，CTC-3 Tmax基本維持在45℃，保證快充前的溫度不會(huì)過高。為保證快充后電池溫度不會(huì)高于48℃，所有當(dāng)CTC-3 Tmax ≥ 48℃時(shí)，快充電流降低至20A。整個(gè)循環(huán)工況（CTC-3）測(cè)試完成后，電池系統(tǒng)各溫度檢測(cè)點(diǎn)的最高溫度在45℃左右，溫差控制在3℃以內(nèi)。

3 結(jié)語

通過對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化電池系統(tǒng)充放策略。結(jié)果表明在高溫45℃和48℃進(jìn)行適當(dāng)降功率處理，可以將充放電末端溫度控制在48℃，溫差控制在4℃。

參考文獻(xiàn)：

[1]Capasso C，Veneri O. Experimental analysis on the performance of lithium based batteries for road full electric and hybrid vehicles[J]. Applied Energy，2014，136：921-930.

[2]Sato N. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J]. Journal of power sources，2001，99（1-2）：70-77.