周知義
(微宏動(dòng)力系統(tǒng)(湖州)有限公司,浙江 湖州 313000)
隨著全球能源緊缺、環(huán)境污染、氣候變暖等問題日趨嚴(yán)重,環(huán)境保護(hù)和清潔能源越來越受到各國政府及人民的關(guān)注,各行各業(yè)也越來越重視新能源的發(fā)展。目前,我國各地區(qū)都在大力發(fā)展新能源領(lǐng)域,特別是新能源汽車行業(yè)的發(fā)展尤為迅速。在這些領(lǐng)域中,動(dòng)力電池 PACK 技術(shù)是不可或缺的,隨之潛在的一些問題也開始顯現(xiàn)。比如:電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí),動(dòng)力電池與電機(jī)等主要部件性能出現(xiàn)的動(dòng)力故障[1]。
在電動(dòng)汽車的推廣過程中,續(xù)航里程、充電時(shí)間和使用安全性主要受動(dòng)力電池特性的制約[2]。動(dòng)力鋰離子電池的特性受環(huán)境溫度的影響比較顯著。尤其是在低溫環(huán)境中,動(dòng)力電池的可用能量和功率衰減比較嚴(yán)重。而且,長期低溫環(huán)境下使用會(huì)加速動(dòng)力電池的老化,縮短使用壽命。在 -10 ℃ 時(shí),常用的電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池的容量和工作電壓會(huì)明顯降低。溫度下降到 -20 ℃ 時(shí),情況就更加惡化,主要表現(xiàn)為:電池的可用能量急劇下降,僅能保持常溫下比容量的 30 %~40 %[3];續(xù)航里程嚴(yán)重縮短。除此之外,低溫環(huán)境下,蓄電池的安全性也大大降低,電池充電也比較困難,而且充電時(shí)負(fù)極表面容易堆積形成金屬鋰。鋰枝晶的產(chǎn)生會(huì)刺穿電池正極板與負(fù)極板之間的隔離膜,造成電池內(nèi)部短路,不僅對電池造成永久的損傷,還會(huì)誘發(fā)電池?zé)崾Э?,?dǎo)致電池的使用安全性大大降低。
在眾多環(huán)境因素中,溫度對動(dòng)力電池性能的影響最大。制約動(dòng)力電池低溫性能的因素主要是,在低溫環(huán)境下,電解液粘度增大。動(dòng)力電池中使用的電解質(zhì)是一種有機(jī)液體,與潤滑脂相同,在低溫下會(huì)發(fā)生粘稠甚至部分固化,電解液的離子導(dǎo)通率會(huì)降低,導(dǎo)致電池的電導(dǎo)率下降。鋰離子從正極脫嵌及嵌入負(fù)極的阻抗會(huì)大幅新增,且嵌入負(fù)極阻抗的新增幅度更大,從而引發(fā)析鋰。析出的金屬鋰與電解液發(fā)生反應(yīng),其產(chǎn)物沉積導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)界面(SEI)厚度增加。隨著電池中導(dǎo)電鋰鹽等活性物質(zhì)擴(kuò)散體系的減弱,電荷轉(zhuǎn)移阻抗(簡稱 RCT)明顯增大[4],從而導(dǎo)致鋰電池充放電效率很低,蓄電池在低溫下充電緩慢,充放電電量不足。
蓄電池在低溫環(huán)境中的應(yīng)用受到限制。除了放電能力嚴(yán)重下降外,蓄電池在低溫下也難以充電。在低溫充電過程中,鋰離子在石墨電極上的插層與鋰離子在石墨電極上的鍍鋰反應(yīng)是同時(shí)進(jìn)行的,并且是相互競爭的[5]。低溫時(shí),鋰離子在石墨中的擴(kuò)散受到抑制,且電解液的電導(dǎo)率降低,導(dǎo)致包埋率降低,使得石墨表面發(fā)生鍍鋰反應(yīng)更容易。低溫下蓄電池壽命下降的重要原因是內(nèi)部阻抗的增大和鋰離子沉淀引起的容量下降。低溫下,蓄電池的性能嚴(yán)重退化,在蓄電池的充放電過程中會(huì)發(fā)生一些副反應(yīng)。這些副反應(yīng)重要是鋰離子與電解質(zhì)之間的不可逆反應(yīng),會(huì)導(dǎo)致蓄電池容量下降,電池性能進(jìn)一步惡化[6]。
在研究要用的車輛為 12 m 純電動(dòng)公交汽車。關(guān)于該車配置的動(dòng)力電池,標(biāo)稱電壓為 543 V,標(biāo)稱容量為 216 Ah,標(biāo)稱電量為 119 kWh。
蓄電池組在不同溫度下的容量差異主要體現(xiàn)在溫度降低時(shí),在同樣的充電截至條件下的可充入容量有不同程度的下降。對比早上低溫時(shí)和車輛運(yùn)營1 d 后,常溫狀態(tài)下充電時(shí)充入電量,以分析不同溫度對電池容量的影響。外部環(huán)境溫度在 -15~-10 ℃時(shí),早上第 1 次充電時(shí)電池箱內(nèi)部電池組的平均溫度約在 3.7 ℃,充完電后電池組中單體的平均開路電壓(OCV)約在 3.93 V。通過 SOC 與 OCV 的關(guān)系曲線可知,該溫度下電池組 SOC 約為 83 %,相應(yīng)電池總電量為 99.7 kWh(標(biāo)稱狀態(tài)下總電量為 119 kWh)。運(yùn)營 1 d 后,電池組的平均溫度上升至 15.3 ℃,充完電的平均開路電壓約在 3.99 V,對應(yīng)電池組的 SOC 約為 93 %,相應(yīng)地電池總電量為 111 kWh。通過對比測試數(shù)據(jù)可知,當(dāng)電池箱內(nèi)部電池組溫度在 0 ℃ 左右時(shí),其可充入電量比在15 ℃ 時(shí)減少了 10 %,比在常溫 25 ℃ 時(shí)減少了 17 %。由此可見,蓄電池組的可用容量是隨著溫度的降低而減少,隨著溫度的回升而增加。
對比分析不同溫度下電池組運(yùn)營時(shí)的電流、電壓變化情況,初步測算動(dòng)力電池在不同溫度下的直流內(nèi)阻,得到如圖1 所示結(jié)果。由圖1 可知,隨著溫度的降低,蓄電池的內(nèi)阻升高,與蓄電池本身初始內(nèi)阻隨溫度變化的趨勢相同,且數(shù)值相差不大。當(dāng)電池箱內(nèi)電池組的溫度在 -6 ℃ 時(shí),充電直流內(nèi)阻為 73.4 mΩ,放電直流內(nèi)阻為 51.13 mΩ。當(dāng)電池箱內(nèi)電池組溫度在 0 ℃ 時(shí),充電直流內(nèi)阻為 34.69 mΩ,放電直流內(nèi)阻為 24.06 mΩ。當(dāng)電池箱內(nèi)電池組溫度在 6 ℃ 時(shí),充電直流內(nèi)阻為11.67 mΩ,放電直流內(nèi)阻為 10.49 mΩ??傮w而言,由于純電動(dòng)汽車用蓄電池并聯(lián)數(shù)量較大,經(jīng)過并聯(lián)后其總的直流內(nèi)阻較小,對蓄電池組充放電影響不大。蓄電池組的內(nèi)阻隨溫度升高而降低,反之電池溫度降低時(shí),電池的內(nèi)阻逐漸增大,也就是電池內(nèi)阻與溫度基本呈線性變化關(guān)系。
圖1 不同溫度下的蓄電池組直流內(nèi)阻
對比以下車輛早上起車前電池組最高、最低溫度和運(yùn)營 1 圈后電池組最高、最低溫度,以分析車輛運(yùn)營后放電過程對電池組溫度的影響:
(1)對于編號為 00001 的車輛,外部環(huán)境溫度最低為 -14 ℃ 時(shí),電池組放置一晚上后,電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -1 ℃。車輛運(yùn)營 1 圈用時(shí) 131 min,運(yùn)行里程約 30 km。車輛運(yùn)行前,電池組中最低單體電壓為 3.72 V,運(yùn)行后最低單體電壓為 3.12 V。運(yùn)行前電池的 SOC 為 98 %,運(yùn)行后 SOC 為 53 %。運(yùn)行后電池最低溫度從 -1 ℃ 上升至 5 ℃,溫升為 6 ℃。
(2)對于編號為 00002 的車輛,外部環(huán)境溫度最低 -14 ℃ 時(shí),電池組放置一晚上后,電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -1 ℃。車輛運(yùn)營 1 圈用時(shí) 144 min,運(yùn)行里程約 45 km。車輛運(yùn)行前最低單體電壓 3.89 V,運(yùn)行后最低單體電壓 3.33 V。運(yùn)行前電池的 SOC為 100 %,運(yùn)行后 SOC 為 52 %。運(yùn)行后電池的最低溫度從 -1 ℃ 上升至 4 ℃,溫升為 5 ℃。
(3)對于編號為 00003 的車輛,外部環(huán)境溫度最低為 -4 ℃ 時(shí),電池組放置一晚上后,電池箱內(nèi)部最低溫度約為 0 ℃。車輛運(yùn)營 1 圈用時(shí) 192 min,運(yùn)行里程約 61 km。車輛運(yùn)行前,電池組中最低單體電壓為 3.66 V,運(yùn)行后最低單體電壓為 2.96 V。運(yùn)行前電池的 SOC 為 98 %,運(yùn)行后 SOC 為 39 %。運(yùn)行后電池最低溫度從 0 ℃ 上升至 6 ℃,溫升為 6 ℃。
(4)對于編號為 00004 的車輛,外部環(huán)境溫度最低為 -17 ℃ 時(shí),電池組放置一晚上后,電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -7 ℃。車輛運(yùn)營 1 圈用時(shí) 123 min,運(yùn)行里程約 29 km。車輛運(yùn)行前,電池組中最低單體電壓為 3.85 V,運(yùn)行后最低單體電壓為 2.94 V。運(yùn)行前電池的 SOC 為 100 %,運(yùn)行后 SOC 為 45 %。運(yùn)行后電池最低溫度從 -7 ℃ 上升至 -1 ℃,溫升為 6 ℃。
從上述數(shù)據(jù)可知,蓄電池組運(yùn)營 1 d,再靜置一晚后,電池組最低溫度約高于環(huán)境溫度 10 ℃ 左右,運(yùn)營 1 圈后電池組溫度上升約為 6 ℃。
隨機(jī)采集車輛運(yùn)營 1 d 過程中蓄電池溫度不同時(shí)段變化情況進(jìn)行分析(參見圖2)。外部環(huán)境溫度為 -4~1 ℃ 時(shí),早上 8 點(diǎn)左右起車時(shí),電池箱內(nèi)部蓄電池組最高溫度約為 20 ℃,最低溫度為 4 ℃。在車輛運(yùn)營初始階段,由于電池放電,電池箱內(nèi)部溫度傳感器探測到最低溫度上升較快。車輛運(yùn)營至中午時(shí)段,蓄電池溫度上升不再明顯。下午電池最高溫度基本維持在 28~30 ℃,最低溫度維持在 12~14 ℃,基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)。由此可見,前期溫度較低時(shí)由于內(nèi)阻較大,電池產(chǎn)生的熱量較大,蓄電池溫升較快。后期蓄電池內(nèi)阻下降,產(chǎn)生的熱量隨之減少。另外,電池產(chǎn)生的熱量與外部環(huán)境消耗的熱量相互作用,使蓄電池整體溫度基本平衡。
圖2 汽車白天運(yùn)營時(shí)電池組溫度變化曲線
分析不同車輛進(jìn)行快速充電時(shí)電池的溫度變化情況。由表1 可知,由于電池的剩余電量和電池箱內(nèi)部電池組的溫度的不同,電池充電時(shí)間也有所不同,基本維持在 9~15 min 之間??焖俪潆娺^程中受蓄電池內(nèi)阻的影響,電池溫度呈上升趨勢,且在低溫時(shí)上升較多,一般上升 4~5 ℃。溫度超過 20 ℃時(shí),充電溫升趨于緩和。
表1 不同車輛充電過程溫度升高情況
分析車輛能耗與溫度之間的關(guān)系。車輛晚上運(yùn)行時(shí)電池組最低平均溫度在 10~13 ℃,車輛能耗平均值為 1.55 kWh/km。車輛早上運(yùn)行時(shí)電池組最低平均溫度在 -5~2.2 ℃,車輛能耗平均值為2.06 kWh/km。早上運(yùn)營時(shí)車輛能耗比下午運(yùn)營時(shí)高出 33 % 左右。
從上述分析可知:
1) 蓄電池組隨著溫度的降低,大電流充電時(shí)可充入電量下降,將導(dǎo)致蓄電池可用容量下降。
2) 蓄電池內(nèi)阻隨著溫度的降低呈上升趨勢,但由于其總內(nèi)阻相對較低,對車輛運(yùn)營影響不大。
3) 蓄電池組靜置 1 晚后其最低溫度約高于環(huán)境溫度 10 ℃ 左右,運(yùn)營 1 圈后其溫度上升約為 6 ℃左右??焖俪潆?1 次后蓄電池組溫度可上升約 4~5 ℃。蓄電池組運(yùn)營約 4~5 h 后溫度基本達(dá)到平衡,最高溫度約為 25~30 ℃,最低溫度約為 15~20 ℃,溫差約在 10 ℃ 左右。
4) 在運(yùn)營過程中低溫時(shí)整車能耗偏高,導(dǎo)致
綜上所述,車輛在低溫時(shí)運(yùn)營里程下降主要是由可充入電量下降和整車能耗增加導(dǎo)致的。因此,提出以下建議:① 優(yōu)化充電方案。低溫時(shí)增加小電流充電步驟,以便充入更多電量,增加蓄電池組可用容量。② 增加電池低溫加熱措施。在低溫情況下,先對電池進(jìn)行預(yù)加熱,然后進(jìn)行充電,增加實(shí)際充入電量,從而提高續(xù)航里程。③ 低溫時(shí)減少使用 PTC 制熱空調(diào),減少電耗,增加續(xù)航里程。